книги из ГПНТБ / Калмыков Е.П. Борьба с внезапными прорывами воды в горные выработки
.pdfглавного направления, который проходили с запада на восток к ство лам шахты «Остерфельд» с небольшим уклоном — до 5/1000 в сторону забоя. При пересечении забоем штрека во время взрывания очеред ного комплекта шпуров Оберхаузенского сброса в 50 м перед ответ влением обходной выработки к стволам, в забой штрека произошел внезапный прорыв соленых термальных вод с температурой 45— 50° С и максимальным притоком до 50 м3 /ч.
Зона разлома Оберхаузенского сброса имела ширину 2,5 м. Она была заполнена раздробленными горными породами, по трещинам которых поступали термальные воды из глубины.
А-В
Рис. 41. Схема ликвидации внезапного прорыва воды при сооружешш тоннеля Мон-Дор
1 — плотные породы; 2 — водоносная трещина; з — водоненроницаемая перемычка; 4 — водоотводная труба; 5 — водоулавливающие трубы
В результате прорыва пройденная часть штрека, имевшая уклон в сторону забоя, была затоплена, также затоплено было и находив шееся в штреке оборудование.
Ликвидация прорыва термальных вод в забой штрека главного направления была осуществлена с помощью сооружения в нем водо непроницаемой перемычки и открытого водоотлива. В протяженной части штрека была сооружена водонепроницаемая бетонная пере мычка, в которой была заделана дренажная труба с краном. Через несколько часов после сооружения перемычки кран на дренажной трубе был перекрыт, и вода, поступающая из прорыва, затопила полностью часть штрека, находившуюся за перемычкой со стороны
прорыва, прекратив при этом подтопление |
другой части штрека. |
В последней за перемычкой был установлен |
высокопроизводитель |
ный центробежный насос, с помощью которого вода из-за перемычки
откачивалась до тех пор, пока ее приток не снизился с 50 до 10— 12 м3 /ч. После этого перемычка была разобрана, вода за ней в штреке до забоя была постепенно откачана насухо и приступили к дальней шей проходке штрека, которая была закончена без осложнений. На ликвидацию внезапного прорыва термальной воды в западный штрек было затрачено три месяца.
При строительстве тоннеля Мон-Дор на Франко-Швейцарской границе длиной 9,61 км, пересекающего одну из цепей Юрских Альп, сложенных из мергелей и известняков, на расстоянии 4273 м от Швейцарского портала передовой штольней была встречена тре щина с раскрытием 0,5—0,6 м, заполненная глиной. Когда забой передовой штольни удалился от трещины на 93 м, ее глиняное за полнение напором воды было прорвано и из трещины в тоннель устремился поток воды с притоком 11 ООО м3 /ч. После прорыва воды
втоннель на поверхности иссяк один из трех источников, питающих
р.Дол, а через несколько дней иссякли и два других источника. Вследствие происшедших сильных ливней и снегопада на поверх
ности приток |
воды из прорыва |
в передовую |
штольню увеличился |
до 18 ООО м3 /ч. |
Потоком воды по |
выходе из |
тоннеля были снесены |
железнодорожная насыпь и дорога вдоль р. Орль. Через 22 дня после
прорыва приток воды в тоннель снизился до |
1500 м3 /ч, или до 8% |
от максимального притока, и приступили к |
ликвидации аварии. |
В передовой штольне у водоносной трещины была сооружена бетон ная перемычка толщиной 7 м (рис. 41), в почве которой было за делано две дренажные трубы диаметром по 0,5 м. По окончании твер дения бетона дренажные трубы были перекрыты задвижками. Через 6 дней после этого все три источника на поверхности, питавшие р. Дол, возобновили свое действие, что указывало на закрытие источника прорыва воды с помощью перемычки. Под прикрытием водонепроницаемой перемычки в тоннеле был устроен водоприемник и из него проложена водоотводящая труба диаметром 0,8 м. После этого водонепроницаемая перемычка была разобрана. Вода из тре щины поступала в водоприемник и отводилась по тоннелю водоотвод ной трубой. На этом работы по ликвидации прорыва воды были закончены и возобновлены работы по проходке тоннеля.
Через 4 месяца после первого прорыва воды в передовую штольню тоннеля, забой которой находился на расстоянии 4407 м от Швей царского портала, произошел второй мощный прорыв воды. На поверхности в это время шел непрерывный дождь, размывший снега на горе Мон-Дор и усиливший их таяние.
При бурении очередного комплекта шпуров в забое передовой штольни один из бурильщиков внезапно был отброшен, а его молоток вместе с буром большим давлением воды были вырваны из рук и от брошены на большое расстояние. Вслед за этим из буровой скважины выбила струя воды длиной 20 м и с притоком около 1000 м3 /ч. Боль шим напором воды стенки скважины интенсивно размывались и при ток воды из нее быстро увеличивался, достигнув к концу суток после прорыва 35 000 м3 /ч. Работы в тоннеле были полностью прекращены.
С течением времени приток воды из прорыва уменьшился, однако войти в тоннель представилось возможным только через год после прорыва. Приток воды из прорыва к этому времени хотя и умень шился, но был значительным, настолько, что проводить штольню было невозможно. Для ликвидации этого прорыва воды в передовой штольне, аналогично ранее изложенному, была сооружена водоне проницаемая перемычка, преградившая доступ воды из прорыва
Буча.кские~7одоносные песий'
Рис. 42. |
Схема ликвидации аварии на шахте № 2 |
||
|
|
«Западно-Донбасская»: |
|
1 — восточный |
вентиляционный |
штрек; 2 — сопряжение |
|
штреков; |
з — вывал породы; |
4 — восточная перемычка; |
|
5 — западная |
перемычка; в — деревянные клети; 7 — це |
||
|
|
ментационные трубы |
|
в тоннель. Место прорыва воды обошли новой передовой штольней.
Закончить проходку тоннеля удалось лишь |
после того, |
как вода |
из главной штольни была отведена в обходную. |
|
|
На шахте «Западно-Донбасская» № 2 |
(рис. 42) при |
перекре |
плении сопряжения 9-го восточного бортового штрека |
угольного |
|
пласта с'6 с 1-м восточным вентиляционным |
штреком, пройденным |
|
у верхней границы безопасного ведения горных работ под плыву нами, в зоне разрывных тектонических нарушений в 1969 г. про изошло обрушение перемятых пород кровли на длине 12 м и макси
мальной высоте |
7 м. |
Из обрушенного |
пространства |
поступало |
до 10 м3 /ч воды. |
После |
уборки породы |
от обрушения |
и выкладки |
в образовавшейся пустоте клети произошло вторичное обрушение пород кровли с увеличением высоты свода обрушения до 12 м на ширине до 7 м, которое вызвало обрушение угольного пласта с6
и пород его кровли с увеличением максимальной высоты свода обру шения до 17 м и длины вывала по оси выработки до 26 м. Общий объем вывала породы достиг 450 м3 . При этом приток воды в выра ботку увеличился за счет притока из обрушенного угольного пласта Cg с 10 до 35 м3 /ч.
Вода из свода обрушения поступала в выработку в виде сильного капежа, переходящего в сплошные струи, которые, стекая, раз мывали горные породы, вызывая их дальнейшее разрушение и угрозу прорыва в выработку бучакских плывунов, до которых оставалось от свода обрушения всего 9,6 м и мощность которых составляла 21 м. С целью ликвидации аварии и предотвращения прорыва плывунов в горные выработки шахты на сопряжении штреков из двутавровых балок № 27 были установлены камерные рамы, на которые уложено сплошное перекрытие из спецпрофиля № 27 и на них два ряда дере вянных железнодорожных шпал. В обрушенном пространстве была возведена костровая крепь, которая по мере обрушения и сползания пород перекреплялась и расклинивалась. Далее по специально раз работанному проекту в 1-м восточном вентиляционном штреке были сооружены две бетонные перемычки и одна в 9-м восточном бортовом штреке, изолирующими горные выработки шахты от места аварии. Толщина перемычки 1,2 м, заглубление в породы 1 м.
В своде обрушения по длине выработки на разных высотах до сооружения бетонных перемычек были установлены четыре пары вертикальных металлических труб диаметром по 50 мм, соединенных с горизонтальными трубами того же диаметра, выведенными и впо следствии заделанными в западную перемычку для нагнетания по ним цементного раствора. Кроме этого, в почве выработки была уложена металлическая вентиляционная труба диаметром 1,2 м и длиной 42 м через участок 1-го восточного вентиляционного штрека в месте аварии и труба для перепуска воды из-за восточной пере мычки. Далее на участке выработки между перемычками все свобод
ное пространство объемом 230 м 3 |
было заложено кипами |
прессован |
ной соломы. После этого были |
сооружены бетонные |
перемычки, |
по окончании твердения которых приступили к нагнетанию по трубам диаметром 50 мм, выведенным за западную перемычку в пустоты вывала цементного раствора. Нагнетание цементного раствора осу
ществлялось |
насосом НГР-250 при максимальном |
давлении |
||
30 кгс/см2 . |
Состав раствора (цемент |
: песок |
: вода) был |
1 : 1 : 1 . |
Всего было нагнетено в свод обрушения |
615 м 3 |
раствора. Нагнетание |
||
было прекращено после того, как уровень раствора достиг |
верхней |
|||
точки свода |
обрушения. |
|
|
|
После твердения цементного раствора западная перемычка была разобрана и начато восстановление 1-го восточного вентиляционного штрека, которое было закончено в январе 1970 г. без особых ослож нений. Ликвидация аварии заняла около четырех месяцев.
8 Заказ 2113
Г л а в а V I
ЛИКВИДАЦИЯ В Н Е З А П Н Ы Х ПРОРЫВОВ ВОДЫ
СПОМОЩЬЮ СПУСКА ЕЕ ИЗ ЗАТОПЛЕННЫХ
ВДЕЙСТВУЮЩИЕ ВЫРАБОТКИ И ОТКРЫТОГО ВОДООТЛИВА
1. Производство работ
Спуск воды по скважинам применяют при ликвидации внезап ных прорывов воды с помощью бурения в затопленные при прорыве горные выработки из смежных с ними незатопленных или вновь проходимых горных выработок буровых скважин, а также профилак тически, в целях предупреждения внезапных прорывов воды из ста рых затопленных горных выработок при подходе к ним новых горных выработок.
Вкрепких нетрещиноватых и плотных горных породах бурение водоспускных скважин производят без предварительного сооружения
вгорных выработках бетонных перемычек (рис. 43, а); во всех осталь ных случаях бурение водоспускных скважин производят под при крытием бетонных водонепроницаемых перемычек (рис. 43, б).
Вобоих случаях бурение водоспускных скважин необходимо вести с безопасного расстояния от затопленных горных выработок, исключающего прорыв из них воды через оставленный целик горных пород или полезного ископаемого. При этом на возможный случай внезапного прорыва воды пути для вывода людей должны быть
оборудованы поручнями (перилами) или канатами, подвешенными на высоте 1—1,5 м от почвы горных выработок со стороны прохода для людей. Необходимое число водоспускных скважин определяют расчетом.
До бурения водоспускных скважин в плотных нетрещиноватых горных породах предварительно бурят скважины для заделки кон дукторов (водоспускных трубок) диаметром 150—200 мм и глубиной, определяемой длиной водоспускных труб, которую устанавливают расчетом. После окончания бурения скважин под кондуктора (водо спускные трубки) производят их установку в скважинах и заделку цементным раствором на быстросхватывающихся расширяющихся цементах. Кондуктора (водоспускные трубки) изготовляют из сталь ных цельнотянутых труб внутренним диаметром 90—100 мм с рас трубом и в некоторых случаях с наваренными на них стальными кольцами для более плотной и надежной заделки кондукторов в гор ные породы. Установку кондукторов производят с расчетом обеспе чения последующего бурения водоспускных скважин в заданном направлении в сторону затопленных горных выработок. После твер дения цементного раствора на кондукторах (водоспускных трубках) устанавливают необходимую арматуру: трехходовые краны и саль ники (см. рис. 43). При больших гидростатических давлениях под земных вод в затопленных выработках и слабых горных породах кондуктора дополнительно укрепляют стальными плитами на анкер-
ных болтах, заделываемых в предварительно пробуренные для них в бетонных перемычках короткие скважины, с помощью быстросхватывающегося и расширяющегося цементного раствора.
При устройстве бетонных водонепроницаемых перемычек для целей бурения водоспускных скважин в горных породах, не обла дающих достаточной плотностью и прочностью, заделку кондукторов
л-
Рис. 43. Схемы оборудования водоспускных скважин:
а — при бурении в крепких породах: 1 — водоспускная скважина; 2 — водоспускная трубка
(кондуктор); 3 — заделка водоспускной трубки — цементным раствором; |
4 — |
опорные балки |
||||||
из I |
JVs 26—30; |
5 |
— запорный кран; в — манометр; |
7 — превентор; |
* — |
сальник; 9 — |
||
отводной патрубок |
|
с краном; б — при бурении |
в породах средней и ниже средней крепости: |
|||||
1 — |
водоспускная |
скважина; 2 — водоспускная |
трубка |
(кондуктор); з |
— водонепроницаемая |
|||
|
перемычка; |
4 — запорная арматура водоспускной скважины |
при бурении |
|||||
(водоспускных трубок) в перемычки производят при их сооружении (см. рис. 43).
По окончании заделки кондукторов (водоспускных трубок) в гор ные породы или после окончания сооружения бетонных водонепро ницаемых перемычек и их твердения через запорную арматуру бурят водоспускные скважины.
Бурение водоспускных скважин из горных выработок может производиться буровыми станками БА-100, НКР-100, БУ-70 с пневмоударниками при глубине бурения до 50 м и станками колонкового бурения ЗИФ-300МІ при большей глубине и диаметре скважин
8* |
J15 |
150/75 мм. В соответствии с правилами безопасности конечный диаметр водоспускных скважин должен быть не более 75 мм. Указан ные станки в породах с / = 4 - г 6 могут обеспечить скорость бурения скважин 4—8 м/ч. Бурение ведут с промывкой скважин и наблюдают за притоками и давлением поступающей в них воды, а также газов.
При пересечении буровыми скважинами затопленных выработок бурение прекращают, производят замеры притоков воды, поступа ющей из скважины, с помощью мерных ящиков или водосливов и регулирование притока поступающей из скважин воды с помощью кранов в соответствии с производительностью водоотливной уста новки.
После этого на скважинах взамен сальников устанавливают гасители скорости водяной струи, из которых вода отводится в водо отливные или дренажные канавы и по ним поступает к водосборни кам шахтной водоотливной установки, которая откачивает посту пающую из затопленных горных выработок воду вместе с нормальным притоком воды на земную поверхность. За притоками поступающей воды, ее давлением, содержанием поступающих вместе с водой газов устанавливают ежесменный надзор и в случае необходимости произ водят регулирование притоков воды из скважин и усиленное про ветривание горных выработок. Время спуска воды из затопленных горных выработок по скважинам может быть определено по формуле
|
|
Т — —rS1—г, |
C V T , |
|
(VI.1) |
|
|
и(<?в — 9з) |
|
|
|
где Qs |
— общий объем воды, скопившейся в затопленных |
выработ |
|||
|
ках, м3 ; |
|
|
|
|
п — число часов в сутки по спуску воды по скважинам, ч; |
|||||
QB — допустимая |
по условиям местного |
водоотлива общая про |
|||
|
пускная способность водоспускных скважин, м3 /ч; |
||||
(/3 |
— нормальный |
приток воды |
в |
затопленных |
выработ |
|
ках, м3 /ч. |
|
|
|
|
По окончании спуска воды, производится сбойка горных выра боток между собой и их интенсивное проветривание, после чего расчищают и перекрепляют выработки, считая ликвидацию прорыва законченной.
2. Расчет водоспускных скважин
Расчет водоспускных скважин состоит из определения их про пускной способности и расчета водоспускных трубок (кондукторов) по методике автора.
Пропускная способность водоспускных скважин, устраиваемых для спуска воды из затопленных горных выработок, зависит от числа, диаметра и длины скважин, напора и скорости течения по ним воды, а также производительности водоотливной установки, занятой откач кой воды, поступающей из водоспускных скважин. Напор воды,
соответствующий действительной скорости истечения воды из сква жины,
|
|
|
hA^h |
|
— hn, |
м вод. ст., |
|
|
|
(VI.2) |
|||
где h •— напор |
воды в затопленных |
горных |
выработках |
у |
водоспу |
||||||||
|
скной |
скважины; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
hn |
— потери напора при течении воды по скважине. |
|
|
||||||||||
Потеря напора в водоспускной скважине может быть определена |
|||||||||||||
по формуле Дарси — Вейсбаха |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
hn = %c-^-2f, |
|
м |
вод. ст., |
|
|
(VI.3) |
||||
где Яс — безразмерный коэффициент, |
|
определяемый |
по |
формуле |
|||||||||
|
Дарси — Базена, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Ь с = |
0,0149 + - ™ ^ - ; |
|
|
|
|
(VI.4) |
||||
1С |
— длина водоспускной скважины, м; |
|
|
|
|
|
|||||||
dc |
— диаметр |
водоспускной скважины, м; |
|
|
|
|
|||||||
vc |
—• средняя |
скорость |
течения воды из скважины, м/с. |
|
|||||||||
Действительная средняя |
скорость |
истечения |
воды |
из |
скважины |
||||||||
|
|
|
^c = |
^ / 2 g f e A |
, |
м/с. |
|
|
|
|
(VI.5) |
||
Подставив в |
равенство |
|
(VI.3) |
значение |
vc |
из равенства |
(VI.5) |
||||||
и приняв во внимание при этом значение hA из равенства (VI.2), получим
,(^V2g(h~hn)Y
или после сокращений и преобразований
( 4 4 + Мсфї) К = МсфїЛ,
откуда |
|
|
7 |
Яс2сф?^ |
|
|
/ттт Л.І |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
к«=ш+м«А' |
|
м в о д - с |
т - |
<у1-6> |
|
где ф х = |
0,815 — безразмерный коэффициент |
скорости. |
|
|||||
Средний расход |
воды водоспускной скважиной |
|
||||||
|
|
|
qc |
= ЗбООсо^е, |
м3 /ч, |
|
(VI.7) |
|
где а1 — площадь |
поперечного |
сечения |
водоспускной |
сква |
||||
|
жины, |
м 2 ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c o ^ i f i . |
|
|
(VI.8) |
|
Подставив значения а1 |
и vc из равенства |
(VI.8) и (VI.5) |
в ра |
|||||
венство |
(VI.7) |
и |
заменив |
при |
этом |
коэффициент скорости ф х |
||
117
коэффициентом расхода \ilt после необходимых преобразований окончательно получим среднюю пропускную способность водо спускной скважины
|
<7c = 4 5 0 f i 1 n d S V / 2 i ^ , |
м3 /ч, |
(VI.9) |
|
где |
— 0,62-^0,82 •— безразмерный коэффициент |
расхода. |
||
Максимальная пропускная способность водоспускной скважины |
||||
будет |
вначале ее действия |
|
|
|
|
?тах = |
V2gh„, |
М3 /ч. |
(VI . 10) |
Обычно при спуске воды из затопленных горных выработок по буровым скважинам их бурят несколько штук. Средняя пропускная способность всех пробуренных водоспускных скважин
Q, = |
qcN1, м3 /ч, |
(VI.11) |
где N1 — число водоспускных |
скважин. |
|
Производительность водоотливной установки, занятой |
откачкой |
|
воды, поступающей из затопленных горных выработок в действу ющие по водоспускным скважинам,
QH^q0n'H, |
м3 /ч, |
( V I . 12 |
где <?„ — производительность одного |
насоса, м3 /ч; |
|
п'я — число насосов водоотливной установки, занятых |
откачкой |
|
воды, поступающей по водоспускным скважинам. |
|
|
Очевидно, что объем воды, поступающей из затопленных горных выработок по водоспускным скважинам, не должен превышать
производительности |
насосной установки, откачивающей |
эту |
воду |
на поверхность, т. е. |
( V I . 13) |
||
|
|
||
или после подстановки в выражение (VI.13) значений QB |
и Qn |
из |
|
равенств (VI.И) и |
(VI.12) получим |
|
|
QcN sc q0n'lu
откуда число буровых скважин, необходимых для спуска воды из за топленных выработок
N ^ ^ . |
( V I . 14) |
При откачке воды из затопленных горных выработок водоотлив ную установку принимают без резерва. В случае выхода из строя одного из насосов или увеличения притока воды часть водоспускных скважин временно перекрывают кранами или задвижками, устано
вленными на скважинах. |
|
|
|
Время откачки |
воды, спускаемой по скважинам из затопленных |
||
горных выработок |
центральной шахтной |
водоотливной |
установкой, |
|
Т ^ — ^ |
г > |
(VI.15) |
и « ? у — Q — Чз) '
v |
' |
где Qy |
— общая производительность центральной шахтной водоотлив |
||||||||||
|
|
ной установки, м3 /ч; |
|
|
|
|
|
|
|
||
q — нормальный |
приток воды в действующие |
выработки, |
м3 /ч; |
||||||||
q3 |
— нормальный приток воды в затопленные |
выработки, м3 /ч. |
|||||||||
Пример. Рассчитать |
пропускную |
способность |
водоспускных скважин |
||||||||
при условии, что диаметр скважин dc |
= |
75 мм, длина 1С = |
50 м, высота |
столба |
|||||||
воды над уровнем скважин h = 100 м, |
статический запас воды в затопленных |
||||||||||
выработках |
Qs = 300 000 м 3 , динамический приток воды в затопленные выра |
||||||||||
ботки |
q3 = |
150 м3 /ч, |
в действующие выработки |
q = |
250 |
м3 /ч, производитель |
|||||
ность центральної! водоотливной установки Qy = |
900 |
м3 /ч. |
|
|
|||||||
1. |
По |
формуле |
Дарсгг — Базена |
определяем |
безразмерный коэффициент |
||||||
|
|
|
Xc = 0,0149 + - |
^ |
f ^ - = 0,0706. |
|
|
|
|||
2. |
Потеря напора в водоспускной скважине по формуле |
(VI.6). |
|
||||||||
|
|
, |
_ |
0.0706 - 50 - 0,8152-100 |
_ |
а„ г |
|
|
|
||
|
|
П п |
" 4 • 0,075 + 0,0706 • 50 • 0,8152 |
|
м |
- |
|
||||
3. Напор воды, соответствующий действительной скорости истечения ее из скважины,
Ь д = 100 — 88,5 = 11,5 м.
4. Средняя пропускная способность одной водоспускной скважины опре деляется по формуле (VI.9)
<7С=450 • 0,62 • 3,14 • 0,005625 У 2 • 9,81 • 11,5 = 75 мЗ/ч.
5. Производительность центральной водоотливной установки, занятой на откачке воды, поступающей из водоспускных скважин,
QH = Qy — 1,2? = 900 — 1,2 • 250 = 600 мз/ч.
6.Число буровых скважин, необходимых для спуска воды из затопленных выработок,
7.Время откачки воды, спускаемой по скважинам из затопленных горных выработок, при работе водоотливной установки п = 20 ч,
300000 |
|
2 0 ( 9 0 0 - 2 5 0 - 1 5 0 ) |
° у Т ' |
Для предотвращения вырывания давлением воды водоспускных трубок (кондукторов) безопасная длина заделки их в горные породы или водонепроницаемые перемычки должна определяться расчетом.
Конструкции водоспускных трубок представлены на рис. 44. Расчет водоспускных трубок производят на давление воды при гидравлическом ударе, при этом конструкцию водоспускной трубки, приведенную на рис. 44, Й , рассчитывают на сопротивление сил сцепления материала трубки с окружающим ее бетоном или цемент ным раствором, а конструкцию водоспускной трубки, приведенной
на рис. 44, б, на сопротивление срезыванию.