книги из ГПНТБ / Калмыков Е.П. Борьба с внезапными прорывами воды в горные выработки
.pdfПод действием максимального давления воды при гидравлическом ударе Р у водоспускная трубка (рис. 44, а) будет стремиться сдви нуться в сторону горной выработки. Ее сдвижению сопротивляется сила сцепления с окружающим бетоном или цементным раствором Т. Для того чтобы водоспускная трубка не сдвинулась, необходимо сохранить условие равновесия, которое напишется в виде
Р у _ 7 = 0. |
(VI.16) |
Нагрузка на водоспускную трубку при внезапном приложении силы, которое будет иметь место при гидравлическом ударе, вдвое
5 |
|
|
///'// |
|
У///// |
|
|
||
х |
fcLrtx///у/, |
'fart р- / / / , |
||
|
щ |
'fart* |
щ |
|
//////- |
|
ш~ |
||
|
шУ |
Ы |
и |
|
Рис. 44. Конструкция водоспускных трубок:
а — обычная (для спуска воды при сравнительно небольших гидро статических напорах); б — с наваренными кольцами (для спуска воды при больших гидростатических напорах)
больше обычного гидростатического давления воды в затопленных горных выработках, т. е.
|
Р У = 2РГ , |
|
где Р г — гидростатическое |
давление воды на водоспускную |
трубку, |
кгс/см2 ; |
|
|
следовательно, |
|
|
|
Py^2lpr^f-, |
(VI.17) |
где К — коэффициент перегрузки, равный 1,2—1,3; |
|
|
рг — гидростатическое |
давление воды, кгс/см2 ; |
|
d0 — внешний диаметр водоспускной трубки, см.
Сила сцепления водоспускной трубки с бетоном или цементным
раствором, в которые она заделана, |
|
Т 1>п'ак1п1, |
(VI . 18) |
где т — коэффициент условий работы, равный |
0,6 |
—0,7; |
||
тс — расчетное сопротивление сцеплению стали с бетоном или |
||||
цементным раствором, |
кгс/см2 ; |
|
|
|
I — длина заделки водоспускной трубки, |
см. |
|
||
Подставив в выражение (VI.16) значения |
Р у и |
Т из выражений |
||
(VI.17) и (VI.18), будем иметь |
|
|
|
|
^Pt^Y~ |
— тт'апйа1 = |
0, |
|
|
откуда длина заделки водоспускной трубки в водонепроницаемую
перемычку или горные породы |
составит |
|
|
|
|
|
< V I - 1 9 > |
Полная длина водоспускной трубки |
|
|
|
1*= *+ |
* = |
+С |
(VI-20) |
где с — отрезок водоспускной |
трубки, |
выступающий за |
перемычку» |
равный 20—50 см. |
|
|
|
Под действием максимального давления воды при гидравлическом ударе Р у водоспускная трубка (см. рис. 44, б) стремится своими кольцами срезать бетон или цементный раствор, которым она заде лана, и сдвинуться в сторону горной выработки. Этому сопротивля
ются внутренние усилия бетона или цементного раствора |
срезыва |
|||||||
нию |
Тс. |
|
|
|
|
|
|
|
Для того чтобы водоспускная трубка находилась в равновесии, |
||||||||
необходимо сохранить условие |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Р у - 7 * 0 = 0. |
|
|
|
(VI.21) |
|
Сопротивление |
бетона |
или |
цементного |
раствора срезыванию |
||||
может быть написано в виде |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Te = mxScp, |
|
|
|
(VI.22) |
|
где т — расчетное |
сопротивление |
бетона |
или |
цементного |
раствора |
|||
|
срезыванию, кгс/сма ; |
|
|
|
|
|
||
Scp |
—• площадь срезывания бетона или |
цементного |
раствора, см 2 ; |
|||||
|
|
|
Scp--=ndKn'l, |
|
|
|
( V I . 23) |
|
где dK — внешний |
диаметр |
кольца, приваренного к |
водоспускной |
|||||
|
трубке, |
см; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dK = d0 + 26. |
|
|
|
|
|
|
б -— толщина |
кольца, |
см; |
|
|
|
|
|
|
п' — число колец, приваренных к водоспускной |
трубке; |
||||||
|
I — длина промежутка |
между кольцами, |
см. |
|
|
|||
Из |
рис. 44, б следует |
|
|
|
||
или |
|
|
I' = |
пЧ + п'х |
|
|
|
|
п'1 = |
1'-п'х. |
|
( V I . 24) |
|
|
|
|
|
|||
Подставив в равенство (VI.22) вместо |
Scp его значение из равен |
|||||
ства (VI.23) |
с учетом |
равенства |
(VI.24), |
получим |
||
|
|
|
Тс = ття<2к (Г — п'х). |
( V I . 25) |
||
В |
свою |
очередь, |
подставляя |
в выражение |
(VI.21) значение Ру |
|
из равенства |
(VI.17) и !ГС из равенства (VI.25), |
получим |
||||
откуда после сокращений и преобразований длина заделки водо спускной трубки с наваренными на нее стальными кольцами в водо непроницаемую перемычку или горные породы составит
|
І' = ^ф- |
+ п'х. |
(VI.26) |
Полная длина водоспускной |
трубки |
|
|
|
1»=Ш+п'х+с'> |
(VU7) |
|
где а: — ширина |
колец, приваренных к водоспускной |
трубке, см. |
|
Пример. Рассчитать минимальную длину водоспускной трубки, приведен |
|||
ной на рис. 44, б, |
если гидростатическое давление воды рг = 450 |
т/м2 , трубку |
|
заделывают в бетон марки 200 с расчетным сопротивлением срезыванию в 28дневном возрасте т = 200 т/м2 , толщина кольца, приваренного к трубке, 0,015 м и ширина 0,02 м, число колец 6. Внешний диаметр трубки dn = 0,17 м, ее отрезок,
выступающий за перемычку, с' = 0,3 м.
1. Водоспускная трубка загружается через 3 дня после заделки, временное сопротивление бетона на шлакопортландском цементе срезыванию в раннем
возрасте |
т' = 0 , 2 3 - 200 з±45 |
т/м2. |
||||
|
|
|||||
2. |
Внешний диаметр кольца, приваренного к водоспускной трубке, |
|||||
|
|
d K = 0,17 + |
2-0,015 = |
0,2 м. |
||
3. |
Длина заделки |
водоспускной |
трубки |
в |
водонепроницаемую перемычку |
|
|
„ |
1,3-450-0,172 |
. „ |
А |
л . |
|
|
1 |
= 2 - 0 . 6 - 0 . 2 - 4 5 + 6 - 0 , 0 2 ^ 1 , 7 м. |
||||
4. |
Полная длина водоспускной |
трубки |
|
|
||
|
|
1В = 1,7 + |
0,3 = |
2 |
м. |
|
При больших гидростатических давлениях воды в затопленных горных выработках и недостаточной прочности горных пород для надежной заделки в них водоспускных трубок последние крепят
с помощью плит и анкерных болтов (рис. 45) к бетонным перемычкам (стенкам).
Под действием максимального давления воды Ру, передаваемого водоспускной трубкой через плиту анкерным болтам, последние испытывают напряжение растяжения Np. Для того чтобы болты не деформировались, необходимо, чтобы сопротивление их растяжению было равно пли больше максимально возможного гидростатического давления воды, т. е.
|
|
|
|
Ру. |
(VI.28) |
|
|
|
|
|
|
Сопротивление |
анкерных |
болтов растяжению |
|
||
|
|
Nv |
= |
mnalf-RB |
(VI.29) |
где па |
— число анкерных болтов; |
|
|
||
da — диаметр анкерных болтов, м; |
|
||||
Ея |
— расчетное |
сопротивление |
стали на растяжение, |
тс/м2 . |
|
Рис. 45. |
Конструкция водоспускной трубки, укрепляемой |
с |
помощью плиты |
||
|
и анкерных |
болтов: |
|
|
|
1 — водоспускная трубка; 2 — плита; .3 — анкерные болты; 4 — упорное кольцо |
|||||
Подставив в выражение (VI.28) |
значения Np и |
Ру |
из равенств |
||
(VI.29) |
и ( V I . 17), получим |
|
|
|
|
|
ndl |
г> |
|
|
|
|
mna—f |
Ra |
|
|
|
откуда число анкерных болтов, необходимых для крепления водо спускной трубки,
2XPrd% |
(VI.30) |
md%Ra
При расчетах диаметр анкерных болтов принимают конструктивно в пределах da = 24 -f- 36 мм. Толщину плиты принимают равной 1,0—1,3 диаметра анкерных болтов.
Под действием максимального давления воды, передаваемого водоспускной трубкой через плиту анкерным болтам, последние будут стремиться вырваться из тела бетонной перемычки. Чтобы этого не произошло, необходимо, чтобы силы сцепления анкерных
болтов с бетоном Та были равны или больше действующего на них максимально возможного давления воды, т. е.
|
|
|
|
Ру^Та. |
|
|
|
|
|
(VI.31) |
|
Сила сцепления анкерных |
болтов с бетоном |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
Г а |
= mnandalaxc. |
|
|
|
|
|
(VI.32) |
|
Подставив вместо Ру |
и Та |
из равенств (VI . 17) и (VI.32) их значение |
|||||||||
в равенство (VI.31), получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
2%рг |
|
s£ |
mnandalaxc, |
|
|
|
|
|
|
откуда длина заделки анкерного болта в перемычку |
будет |
|
|||||||||
|
|
|
|
_ W 2 f _ |
|
|
|
|
|
(VI.33) |
|
При расчете |
анкерных |
болтов |
сцепление |
водоспускной |
трубки |
||||||
с бетоном не учтено и идет в запас прочности |
соединения. |
|
|||||||||
Пример. Рассчитать анкерное болтовое соединение для заделки водоспуск |
|||||||||||
ной трубки при условии, что диаметр |
анкеров |
da = |
30 |
мм, гидростатическое |
|||||||
давление воды рг = |
400 тс/м2 , |
коэффициент перегрузки |
X = |
1,3, |
коэффициент |
||||||
условий работы m = |
0,6, диаметр водоспускной трубки d0 = |
200 мм, |
расчетное |
||||||||
сопротивление стали растяжению |
Ra = |
21 000 тс/м2 , |
расчетное |
сопротивление |
|||||||
сцеплению стали с бетоном т с = |
150 тс/м2 (в 28-дневном |
возрасте). |
|
||||||||
1. Число анкерных болтов |
для крепления |
плиты |
с водоспускной |
трубкой |
|||||||
|
|
= 2 - 1 , 3 - 4 0 0 - 0 , 2 2 ^ , |
|
|
|
|
|
||||
|
П а |
0,6 • 0,032 |
• 21 000 — |
' |
|
|
|
|
|
||
2. Водоспускную трубку загружают через 7 дней, бетон перемычки приго товляют на портландцементе с 3%-ной добавкой хлористого кальция. Расчетное
сопротивление сцеплению железа с бетоном в |
раннем возрасте |
||
т с = 0,88 • 150 = |
132 |
тс/м 2 . |
|
3. Длина заделки анкерного болта в |
бетонную |
перемычку |
|
1,3-400-0,2 |
2 |
= 1,1 |
м. |
|
|
||
2 • 0,6 • 4 • 0,03 • 132 |
|
||
3. Расчет водоотливных канав и лотков
Расчет дренажных канав и лотков сводится к определению их сечения и геометрических размеров с последующей проверкой по скорости течения.
Живое сечение канав (рис. 46) определяется по формуле
где Q — максимальный приток воды, пропускаемый по канаве, м3 /ч;
v — средняя скорость течения воды по канаве, |
м/с, которая |
при обычных уклонах горных выработок |
(0,003—0,005) |
принимается в пределах 0,8—1,5 м/с. |
|
Допустимые скорости (м/с) течения воды в незакрепленных кана вах в зависимости от горных пород равны следующим величинам:
Мягкий |
суглинок |
0-20 |
|
Песчаная почва |
|
0,30 |
|
Рыхлая |
почва с |
галечником |
0,75 |
Плотная |
почва, |
суглинок |
0-90 |
Плотная |
почва |
с галечником |
0,9—1,5 |
Галечник |
|
1.1 |
|
Щебень |
|
|
1-7 |
Мягкие |
коренные породы |
195 |
|
Конгломерат, мягкий сланец |
1.8—2.1 |
||
Слоистые породы |
2.1—2.7 |
||
Крепкие |
породы |
3,6—4,5 |
|
Если воды, протекающие по канаве, содержат в своем составе ил
или песок, |
то |
во |
избежание заиливания скорости течения воды |
||||
должны приниматься не менее 0,25 м/с |
|
||||||
в первом |
случае |
и |
не |
менее 0,5 м/с во |
|
||
втором случае. |
|
|
|
|
|
||
Полное сечение канав или лотков |
|
||||||
принимают на 20- -30 Ь оолыпе |
живого |
|
|||||
сечения, |
или |
F |
= |
kJ, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где к. |
1 , 2 + 1 , 3 — коэффициент, учи |
|
|||||
|
тывающий |
частичное |
засоре |
Рис. 46. Сечение водоотлив |
|||
|
ние |
канав |
и |
возможное уве |
ной канавы |
||
личение притока воды. Ширина канавы или лотка по низу
a = Vl
При вертикальных боковых стенках высота канавы
Ъ — к3а.
При трапециевидном сечении открытых канав величины откоса (отношения горизонтальной проекции наклонной стенки канавы к ее высоте) для различных грунтов равны следующим величинам:
Песчаный |
грунт |
1,5—2,0 |
Песчано-глинистый и глинистый |
1,5 |
|
Плотные |
глины |
1,0—1,5 |
Горные породы средней крепости |
0.5 |
|
Крепкие |
горные породы |
0,25 |
Установив размеры поперечного сечения канав, производят их проверку по скорости течения в них воды по формуле Шези (1.12).
При притоках воды в горные выработки до 500 м3 /ч размеры водоотливных канав могут быть приняты типовые, разработанные Центрогипрошахтом (табл. 17).
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
17 |
|
|
|
|
Размеры в свету |
|
|
|
Поперечное |
Приток |
ширина, мм |
|
|
|
|
сечение канав |
воды, м 3 . ч |
|
|
|
||
и лотков |
|
|
|
глубина, мм |
сечение, |
м 2 |
|
|
поверху |
понизу |
|||
|
|
|
|
|
||
Прямоугольное |
0 - 10 0 |
300 |
300 |
200 |
0,060 |
|
|
101—150 |
300 |
300 |
250 |
0,075 |
|
|
151-200 |
350 |
350 |
300 |
0,105 |
|
|
201—300 |
350 |
350 |
400 |
0,140 |
|
|
301—400 |
400 |
400 |
450 |
0,180 |
|
|
401-500 |
400 |
400 |
500 |
0,200 |
|
Трапециевид |
0—100 |
350 |
250 |
200 |
0,060 |
|
ное |
101-150 |
400 |
300 |
250 |
0.087 |
|
|
151—200 |
400 |
300 |
300 |
0,105 |
|
|
201—300 |
400 |
300 |
400 |
0,140 |
|
|
301-400 |
450 |
350 |
450 |
0,180 |
|
|
401-500 |
450 |
350 |
500 |
0.205 |
|
4. Примеры из практики
На шахте № 10 «Капитальная» СУБР при проведении горных выработок околоствольного двора гор. 50 м из вскрытой забоем карстовой полости в рудовмещающих известняках произошел внезап ный прорыв воды с притоком 2500 м3 /ч и давлением 8 кгс/см2 , в ре зультате которого все пройденные на гор. 50 и 110 м этой шахты горные выработки и вертикальный ствол были затоплены. Ликвида ция внезапного прорыва воды осуществлялась с помощью открытого водоотлива и спуска воды по скважинам из затопленных выработок в специально пройденные выработки.
Для этой цели в вертикальном стволе на отм. +15 5 м (59 м от поверхности земли) на полке были смонтированы б артезианских насосов АТН-14 производительностью по 200 м3 /ч и напором по 100 м, которые были по окончании монтажа введены в работу. Одно временно с откачкой воды артезианскими насосами в стволе на отм. +155 м приступили к сооружению временной перекачной насосной камеры, в которой было смонтировано три насоса 8НДВ-60 произ водительностью по 540—720 м3 /ч и напором 67—94 м с электро двигателями по 240 кВт и в стволе на полке дополнительно смон тировали еще 3 насоса АТН-14, после чего приступили к откачке воды из затопленных выработок.
Подготовительные работы к откачке затопленных выработок шахты заняли свыше двух лет, в течение которых насосами АТН-14, смонтированными на полке в стволе, откачивали непрерывно свыше 1000 м3 /ч, чем в значительной мере были снижены статические запасы воды, поступавшей из прорыва.
Собственно откачка воды из затопленных выработок шахты производилась в две стадии. В первой стадии откачивались затоплен ные выработки гор. 110 м, и по окончании их откачки, во вторую стадию, откачивались выработки гор. 50 м, в которые произошел внезапный прорыв воды.
Откачку воды из затопленных выработок на гор. + 1 1 0 м произ водили насосами АТН-14, смонтированными на полке на отм. +155 м
в стволе, в водоприемник временной |
перекачной насосной |
установки |
|
(смонтированной в камере у ствола |
на той же отметке), |
а из него |
|
насосами |
ВНДВ-60 — на поверхность земли. Затопленные горные |
||
выработки |
гор. + 1 1 0 м были откачены при производительности |
||
двухступенчатого водоотлива 1700 м3 /ч.
После откачки воды из горных выработок гор. г НО м на сопря жении околоствольного двора этого горизонта со стволом были
Рис. 47. Схема горпых выработок гор. 50 м шахты Л1» 10 «Капитальная» СУБ Р в момент прорыва воды и его ликвидации:
1 — пройденные до прорыва и затопленные горные выработки; г — горные выработки, прой денные для откачки воды из прорыва на гор. -j- 50м'>s — место прорыва воды; 4 — вертикаль
ный ствол; 5 — наклонный слепой ствол, пройденный с гор. -f- НО м; 6 - водонепроницаемая перемычка; 7 — водоспускные скважины
установлены |
11 насосов |
типа |
8М-8 X 6 производительностью по |
||
280 м3 /ч и напором 615 м, с |
электродвигателями |
по 850 кВт для |
|||
откачки воды |
непосредственно |
из ствола ниже гор. + 1 1 0 м на по |
|||
верхность |
с |
сохранением |
ранее действовавшей |
двухступенчатой |
|
установки |
в стволе при откачке выработок гор. + 1 1 0 м в качестве |
||||
резервной. Под защитой указанных временных водоотливных уста новок на шахте были пройдены выработки околоствольных дворов на гор. + 1 4 0 и + 1 1 0 м и далее с гор. 110 м приступили к подготови тельным работам по осуществлению второй стадии — откачки воды из горных выработок гор. + 5 0 м. Для этой цели с гор. +11 0 м на гор. 50 м в противоположную сторону от затопленных выработок был сначала пройден слепой наклонный ствол и из него горные выработки водоотливного комплекса (рис. 47), предназначенного для полной откачки затопленных выработок на гор. 50 м и вертикаль ного ствола. Проходку горизонтальных выработок на гор. 50 м и слепого наклонного ствола вели с необходимыми предосторож ностями в непосредственной близости от затопленных выработок этого горизонта под давлением воды 6 кгс/см2 . Между вновь
пройденными горными выработками и затопленными были оста влены целики породы.
После окончания проходки выработок водоотливного комплекса гор. 50 м в насосной камере были смонтированы 10 насосных агрега тов с насосами типа З-В-200-4 производительностью 290—500 м3 /ч с мощностью электродвигателей по 400 кВт. Одновременно на выра ботке, пройденной из наклонного ствола в сторону затопленной выра ботки околоствольного двора гор. 50 м (см. рис. 47), была сооружена бетонная водонепроницаемая перемычка, в которую было заделано
29 |
кондукторов диаметром по 150 мм, оборудованных |
задвижками |
и |
сальниками. |
|
|
Через заделанные в водонепроницаемую перемычку |
кондуктора |
с арматурой по целику породы было пробурено в сторону затоплен ных выработок 29 водоспускных скважин диаметром по 100 мм. Через эти скважины вода из затопленных выработок спускалась во вновь пройденные выработки и из них откачивалась насосной установкой гор. 50 м на земную поверхность. Спуск воды из затоплен ных выработок гор. 50 м и ее откачка на поверхность регулировались и велись при производительности 3000 м3 /ч. После спуска воды из затопленных выработок они были вскрыты горными работами. На этом была закончена ликвидация внезапного прорыва воды, заняв шая свыше трех лет.
Дальнейшая проходка горных выработок гор. 50 м осуществля
лась с |
помощью мощного открытого водоотлива, смонтированного |
||
в период ликвидации внезапного прорыва воды. |
|
||
На |
шахте «Октябрьская» |
в Криворожском |
железорудном бас |
сейне |
необходимо было сбить |
южный штрек с |
квершлагом шахты |
«Новая-Южная», ствол и квершлаг которой длиной 800 м были за топлены и в них скопилось более 15 тыс. м 3 воды.
С целью уменьшения затрат на сооружение специальной водо
отливной установки в |
стволе шахты «Новая-Южная» было решено |
|
спустить воду |
из нее |
в горные выработки шахты «Октябрьская», |
оборудованной |
мощной водоотливной установкой. Для этой цели |
|
в оставленном |
породном целике толщиной 10 м буровым станком |
|
НКР-100 была пробурена предварительно горизонтальная скважина диаметром 130 мм и глубиной 2 м. В этой скважине цементным рас
твором |
был |
заделан |
кондуктор из отрезка трубы |
диаметром |
|
125/110 мм, к |
которому |
была приварена стальная плита размером |
|||
1,5 |
X 1,5 м и толщиной 20 мм, которая на 8 анкерных болтах длиной |
||||
по |
2 м |
была |
заделана |
в предварительно пробуренные |
8 скважин |
цементным раствором. После этого в забое выработки была соору жена бетонная перемычка толщиной 0,7 м, по окончании твердения которой кондуктор был оборудован запорной арматурой с сальником.
Потом приступили |
к бурению |
станком НКР-100 водоспускной сква |
жины диаметром 105 мм. По |
окончании бурения скважины к ней |
|
был подсоединен |
став труб, |
проложенных по горным выработкам |
к водосборнику насосной установки, по которому вода из скважины отводилась к насосной установке и последней откачивалась на по-
верхность. Спуск воды по скважине регулировался установленной на ней задвижкой. По окончании спуска воды перемычка и породный целик между квершлагом и штреком с помощью буровзрывных работ были разобраны. Схема спуска воды из затопленных выработок шахты «Новая-Южная» в действующие горные выработки шахты «Октябрьская» показана на рис. 48.
На шахте «Изабелла» в Пенсильвании (США) был применен оригинальный метод откачки воды из старых затопленных горных выработок при помощи спуска из них воды по скважине в действу ющие выработки и выдаче из последних воды насосом по другой скважине, пробуренной с поверхности земли. Для откачки воды
5. С
Рпс. 48. Схема спуска воды из затопленных выработок шахты «Октябрьская»
вКрпвбассе:
1 — затопленный квершлаг шахты «Новая Южная»; 2 — южный штрек шахты «Октябрь ская»; з — бетонная перемычка; 4 — водоспускная скважина; 5 — кондуктор (водоспускная трубка) с плитою и анкерными болтами; в — задвижка
в целике угля из действующих горных выработок в старые затоплен ные и заброшенные выработки была пробурена горизонтальная скважина длиной 63 м и диаметром 200 мм. В 8—10 м от устья водо спускной скважины перед ее бурением была сооружена водонепро ницаемая перемычка с дверьми для предохранения горных выработок от внезапного прорыва воды при бурении скважины. Устье водо спускной скважины на глубину 6 м бурили диаметром 400 мм, после чего в скважину была вставлена труба диаметром 250 мм и длиной Я м. Пространство между стенками трубы и скважины было зацемен тировано. Дальнейшее бурение горизонтальной водоспускной сква жины вели через трубу, армированную тройником, кранами и саль ником.
Одновременно с бурением в затопленные выработки горизонталь ной скважины, с поверхности земли в действующие выработки бурили вертикальную скважину глубиной 135 м и диаметром 200 мм для выдачи воды на поверхность земли.
По окончании бурения скважин и обсадки их трубами между перемычкой и устьем водоспускной скважины был устроен отстойник и за перемычкой установлен центробежный насос производитель ностью 300 м3 /ч с напором 150 м.
9 заказ 2113 |
129 |