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

или

По формуле (VII.20) и следует определять число одновременно тампонируемых скважин в комплекте.

5. Примеры из практики

На шахте «Октябрьский рудник» в Донбассе при проведении полевого штрека на гор. 741 м сечением 17,1 м 2 в проходке в мае 1968 г. произошел внезапный прорыв воды из забоя штрека, пересек­ шего трещиноватые водоносные песчанистые и глинистые сланцы.

В связи с ожидаемыми при дальнейшей проходке полевого штрека большими притоками воды с обильным выделением метана, а также из-за отсутствия на шахте водоотливных средств нужной производи­

Для закрытия притока воды из прорыва в полевой штрек в его забое была сооружена бетонная водонепроницаемая перемычка тол­ щиной 3,5 м (рис. 57). При сооружении перемычки в нее были заде­ ланы кондуктора для бурения тампонажных скважин и нагнетания через них цементного раствора, а также дренажная труба для отвода воды из забоя в период сооружения и твердения бетона водонепрони­ цаемой перемычки. Укладка бетона при сооружении водонепроница-

емой перемычки производилась с помощью бетононасоса УБМЗ-5 с уплотнением пневмовибраторами. Всего в перемычку было уложено 120 м 3 бетона, приготовленного на сульфатостойком портландцементе марки 500. По окончании сооружения водонепроницаемой перемычки и ее твердения в течение 5 суток, дренажная труба в перемычке была перекрыта, все кондуктора были оборудованы запорной арматурой и испытаны на давление 75 атм. Далее приступили к бурению тампо­

Первоначально скважины предусматривалось бурить длиной по 50 м. Однако в связи с большими притоками воды и выделениями метана из скважин пришлось прерывать их бурение на значительно меньшей длине и переходить на нагнетание цементного раствора. Так, из скважины № 24 при ее длине И м приток воды составил 24 м3 /ч, и бурить ее дальше было нельзя. Из скважины № 27 вода начала поступать при ее длине 19 м и из скважины №25 при ее длине 33 м. Таким образом, бурение скважин и нагнетание в них цемент­ ного раствора непрерывно чередовались. Очередную скважину бу­ рили после того, как предыдущая затампонированная скважина выстаивалась не менее 2 суток.

Цементный раствор приготовляли в двух вертикальных лопастных растворомешалках емкостью по 1,5 м3 , установленных на платформах

36 м3 /ч и давлением соответственно 160—75 кгс/см2 . На приготовле­ нии цементного раствора и его нагнетании в смену было занято трое рабочих. Перед нагнетанием раствора в скважины предвари­ тельно определяли их удельное водопоглощение. Для приготовления цементного раствора применяли сульфатостойкий портландцемент марки 500. В начальный период нагнетания применяли цементный раствор состава (цемент : вода) 1 : 1 . Если давление на манометре насоса при этом не повышалось, то, не прерывая нагнетания, перехо­ дили на раствор более густой (1 : 0,6) с добавлением в него 3% хло­ ристого кальция от веса цемента. Первичное нагнетание цементного

раствора в скважины производили каждый раз до тех пор, пока давле­ ние у насоса не достигало 70-—75 кгс/см2 . При достижении этого дав­ ления цементация прекращалась и скважина ставилась на «выстаи­ вание». Расход цементного раствора на цементацию каждой скважины

в среднем составлял 150 м3 . Всего в скважины было закачано 895 м 3 цементного раствора состава 1 : 1 и 1 : 0,6.

.Качество выполненных цементационных работ проверяли разбуриванием цементационных скважин и бурением двух контрольных скважин. После того как контрольное бурение показало отсутствие воды и метана в скважинах, пробуренных на длину 85 м, ликвидация прорыва воды была закончена. Далее бетонная водонепроницаемая перемычка была разобрана и приступили к дальнейшей проходке полевого штрека, которую вели без осложнений обычным способом.

15 м3 /ч, который с течением времени увеличивался, в связи с чем проходку квершлага этого горизонта было решено осуществить с по­ мощью тампонирования. Для этой цели в забое квершлага пневмати­ ческими бурильными молотками по богатой железной руде средней крепости сначала было пробурено 7 буровых скважин под кондук­ тора диаметром по 100 мм и длиной по 1,2—1,5 м, в которые были заделаны кондуктора с кранами, а затем через них были пробурены цементационные скважины диаметром 46—40 мм и длиной по 6—8 м.

Приток воды из отдельных пробуренных цементационных сква­ жин при закрытии других составлял: из скважины № 1 — 4 м3 /ч; скважин № 2; 3; 4; 5 — по 16 м3 /ч; скважины № 6—10 м3 /ч и сква­ жины № 7 — 40 м3 /ч.

По окончании бурения скважины были оборудованы цементацион­ ными головками и через них произведено поочередно нагнетание цементного раствора. После выстаивания скважины были разбу­ рены; шесть из них оказались сухими, а из скважины № 7 приток воды после цементации уменьшился почти в 6 раз и составлял 7 м3 /ч. Дополнительно пробуренная контрольная скважина дала приток воды 2,5 м3 /ч. В связи со сравнительно небольшим притоком из забоя квершлага (до 10 м3 /ч) после цементации его проходку решено было продолжить. Проходку квершлага по руде вели с применением буро­ взрывных работ. Первые заходки не дали увеличения притоков воды, однако при очередном взрывании комплекта шпуров в 14 м от ствола из забоя квершлага, пересекшего водоносную трещину, произошел внезапный прорыв воды с дебитом до 60 м3 /ч, в результате которого пройденная часть квершлага и ствол были затоплены. Для откачки

После откачки приток воды из забоя квершлага на гор. 108 м составлял 70 м3 /ч.

Попытки закрыть приток воды из прорыва с помощью цементации непосредственно из забоя квершлага, к ожидаемому эффекту не при­ вели, так как нагнетенный по скважинам цементный раствор выно­ сился обратно водой в квершлаг. В связи с этим ликвидацию прорыва воды осуществляли с помощью сооружения водонепроницаемой пере-

мычки и тампонирования под ее прикрытием трещиноватой водоносной железной руды. В забое квершлага был разделен вруб и сооружена бетонная водонепроницаемая перемычка толщиной 3 м. В перемычку были заделаны 19 инъекционных трубок (кондукторов) диаметром по 100 мм, 4 нижних из которых при сооружении перемычки служили также и для дренажа воды. По окончании сооружения водонепрони­ цаемой перемычки участок квершлага между ней и стволом был за­ креплен постоянной бетонной крепью, дренажные трубы на перемычке были закрыты заглушками и тем самым приток воды из прорыва был перекрыт полностью. Давление воды за перемычкой установилось 6,2 кгс/см2 . Далее для окончательного закрытия притока воды из прорыва через кондуктора, заделанные в перемычку, пневматиче­ скими бурильными молотками бурили тампонажные скважины глу­ биной до 10 м и тампонировали их. Всего было пробурено и затампонировано 8 скважин. Нагнетание в скважины тампонажного раствора велось при его концентрации от 1 : 6 до 1 : 1 при давлении от 6 до 15—20 кгс/см2 . На нагнетание было израсходовано 20 т цемента и 80 т глины. С помощью тампонирования приток воды из прорыва в квер­ шлаг на гор. 108 м был окончательно закрыт.

Г л а в а V I I I

ЛИКВИДАЦИЯ В Н Е З А П Н Ы Х ПРОРЫВОВ ВОДЫ В ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ С ПОМОЩЬЮ Т А М П О Н И Р О В А Н И Я

СПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ ПРИ ЗАТОПЛЕННЫХ

ВЫ Р А Б О Т К А Х

1.Последовательность работ

Ликвидацию внезапных прорывов воды в горные выработки шахт с помощью тампонирования с поверхности земли применяют при круп­ ных и катастрофических прорывах воды из скальных и смешанных водоносных горных пород и затоплений водой горных выработок. Тампонирование с поверхности земли применяют также в качестве вспомогательного средства для заполнения пустот в горных породах при ликвидации внезапных прорывов воды другими способами.

При ликвидации внезапных прорывов воды с помощью тампони­ рования с поверхности земли работы выполняют в следующей после­ довательности. Вначале маркшейдер переносит проекции места прорыва воды и оси горной выработки, в которую он произошел, на земную поверхность. Далее намечают точки для заложения тампонаж­ ных скважин, после чего подводят к ним электроэнергию и воду, затем устанавливают буровое оборудование и одновременно завозят необ­ ходимые для бурения материалы. Цементационное оборудование устанавливают в процессе бурения тампонажных скважин. После установки бурового станка им сначала бурят скважину под кондук­ тор, затем производят ее обсадку трубами и тампонаж затрубного

пространства, по окончании которого ведут бурение тампонажной скважины до конечной глубины, т. е. до пересечения с местом про­ рыва воды в горную выработку или вблизи от него.

По окончании бурения тампонажной скважины производят обору­ дование ее цементационной головкой и прокачку в нее с поверхности насосами воды, измеряя удельное водопоглощение. Если оно является значительным и при прокачке воды несколько повышается уровень воды в затопленных выработках (что указывает на сообщение сква­ жины с местом прорыва воды), то приступают к нагнетанию в сква­ жину тампонажного раствора и тампонированию через нее водонос­ ных горных пород в месте прорыва воды в горную выработку. Нагне­ тание в скважины тампонажного раствора выполняется без перерыва до закачки всего проектного объема или до прекращения его погло­ щения скважиной при нагнетании тампонажного раствора в объеме меньше проектного.

После твердения тампонажного раствора скважины разбуривают и в них производят вторичное измерение удельного водопоглощения, а затем нагнетание цементного раствора. После твердения тампо­ нажного раствора контрольное разбуривание скважин и измерение удельного водопоглощения, по результатам которых решается вопрос о продолжении тампонирования или его окончании.

В случае принятия решения об окончании тампонирования гор­ ных пород в месте прорыва воды по результатам контрольного разбуривания скважин или бурения новых контрольных скважин произво­ дят пробную откачку воды и, если ее приток не превышает нормаль­

и ремонт откаченных горных выработок. При подходе к месту прорыва восстановительные работы в пределах затампонированной зоны и вблизи нее ведут особенно тщательно и с необходимыми предо­ сторожностями, к числу которых относятся передовое и боковое бурение из горных выработок через кондуктора, оборудованные соответствующей запорной арматурой, контрольных скважин, уси­ ленное крепление горных выработок и другие.

При обнаружении контрольными скважинами, пройденными в за­ тампонированной зоне, значительных притоков воды, последние, во избежание вторичного ее прорыва в горные выработки, должны тампонироваться. После восстановления и проведения выработок по затампонированной зоне ликвидация аварии считается закончен­

2. Производство работ

Тампонажные скважины с поверхности земли при ликвидации внезапных прорывов воды в горные выработки бурят наиболее про­ изводительным вращательным способом станками колонкового (табл. 24) или роторного бурения (см. табл. 9).

Т а б л и ц а 24

Тип станков

Показатели

ЗИФ-ЗООм ЗИФ - 650А ЗИФ - 1200А

Буровые скважины располагают на поверхности с расчетом пере­ сечения ими водоносных горных пород непосредственно в месте про­ рыва воды из них в горную выработку или вблизи от него.

Расположение скважин

В случае, если с помощью тампонирования водоносных горных пород из одной буровой скважины не удается полностью закрыть при­ ток воды из прорыва, то бурят по одной (рис. 58, в—ж) или по две (рис. 58, г, д, е, ж), а иногда и по три (рис. 58, з) дополнительные скважины в зависимости от конкретных геологических и гидрогеоло­ гических условий.

Конструкция тампонажных скважин зависит от пересекаемых ими горных пород и глубины. Чаще всего она состоит из одной обсад­ ной трубы, перекрывающей наносы, и незакрепленной скважины в коренных горных породах. Глубина скважины определяется рас­ стоянием от поверхности земли до места прорыва и необходимой тол­ щиной тампонажной зоны ниже его. Конечный диаметр тампонажных скважин, учитывая необходимость измерения их кривизны при буре­ нии существующими приборами (И-447-Д, «Зенит» и др.), а также спуска по скважинам в необходимых случаях зарядов взрывчатых веществ для торпедирования из них горных пород, принимают рав­ ным 90—110 м. В зависимости от конечного диаметра, глубины и кон­ струкции тампонажных скважин их начальный диаметр принимают

впределах 140—200 мм.

Всвязи с небольшим числом тампонажных скважин, применя­ емых при ликвидации внезапных прорывов воды в горные выработки (1—3), их бурение ведут последовательно одним буровым станком. Вначале забуривают скважину на глубину не менее 5 м под направля­ ющую обсадную трубу; далее производят установку в скважине на­ правляющей обсадной трубы кондуктора и цементацию пространства между ней и горными породами. Забуривание скважины и установка направляющей обсадной трубы должны выполняться особенно тща­ тельно и обеспечивать заданное направление буровой скважины. Направляющая обсадная труба должна выступать над поверхностью земли на 0,3—0,5 м и иметь фланец. После окончания твердения цементного раствора в затрубном пространстве направляющей трубы

втечение 24 ч приступают к бурению тампонажной скважины, кото­ рое ведется с непрерывной промывкой. Для уменьшения искривления скважин при бурении применяют утяжелители и производят через каждые 30—50 м измерение их отклонения от заданного направления. В случае искривления скважины ее выпрямляют.

При бурении тампонажных скважин их крепление обсадными трубами производят только в неустойчивых горных породах и в слу­ чаях обрушения стенок скважин. В зоне тампонирования скважины должны быть открыты для свободного проникновения по ним в трещины горных пород тампонажного раствора. По окончании бурения сква­ жины до проектной глубины, она промывается до выхода из нее неза­ грязненной воды и определяется ее водопоглощение, в зависимости от которого устанавливают связь пробуренной скважины с местом прорыва воды. При незначительном водопоглощении в скважину опускают_заряд ВВ, который взрывают на уровне места прорыва воды в горные*выработки. Если после взрыва водопоглощение скважины резко возрастает, скважину вторично промывают водой, после чего

тампонируют. Если водопоглощение скважины не увеличилось и после вторичного взрыва в ней заряда ВВ осталось незначительным, скважина ликвидируется и вместо нее бурят другую скважину.

Торпедирование скважин при ликвидации внезапных прорывов воды в горные выработки шахт с помощью тампонирования с поверх­ ности земли применяют в случаях отклонения пробуренных скважин от места прорыва воды и отсутствии достаточной гидравлической связи между пробуренной скважиной и водоносными горными по­ родами. Торпедирование производят специально устраиваемыми зарядами (бомбами) из водоустойчивых взрывчатых веществ с водостой­ кими электродетонаторами мгновенного действия типа ЭД-8М, опуска­ емыми на необходимую глубину в пробуренные скважины и взрыва­ емыми в них с помощью электротока от взрывной машинки по электро­ проводам с резиновой или хлорвиниловой изоляцией. В ряде случаев взрывание под водой зарядов ВВ (бомб) может производиться с по­ мощью водостойких детонаторов мгновенного действия и детониру­ ющего шнура. •

Величину заряда определяют в зависимости от объема породы, подлежащей взрыванию из буровой скважины; величина заряда ко­ леблется от 7 до 15 кг. Заряд приготовляют из патронов водоустой­ чивого взрывчатого вещества (рис. 59), которые связывают между собой в круглые пачки и последние между собой связывают шпагатом. В центральный пучок закладывают патроны-боевики с 4—5 детонато­ рами мгновенного действия. Иногда в центральную пачку и две смеж­ ные с ней пачки закладывают патроны-боевики с 2—3 электродето­ наторами в каждой пачке. Электропровод или детонирующий шнур от боевиков выводят за пределы заряда и наращивают на необходимую длину. Места соединения электропровода должны быть тщательно изолированы и герметизированы. Заряд помещают в жесткую обо­ лочку (банку) из белой жести или в хлорвиниловый или полиэтилено­ вый мешок, которые тщательно изолируют в месте выхода из них электропроводки или детонирующего шнура. Затем заряд в зависи­ мости от его веса и глубины погружения в скважину прикрепляют к стальной проволоке или стальному тросу и с помощью тихоходной ручной или электрической лебедки грузоподъемностью до 0,5 т опус­ кают в буровую скважину. Во время спуска заряда в скважину элек­ тропроводку или детонирующий шнур через каждый 1—2 м прикреп­ ляют шпагатом к проволоке или стальному тросу, к которым подве­ шен заряд.После спуска в буровую скважину на необходимую глу­ бину электропроводку или детонирующий шнур отводят от скважины на расстояние 50—100 м; к ним подсоединяют взрывную машинку (при детонирующем шнуре к его концу прикрепляют электродетона­ тор) и с ее помощью взрывают заряд. Далее из скважины извлекают проволоку или трос, к которым был подвешен заряд, промывают водой скважину и определяют водопоглощение, а также определяют с по­ мощью прокачки воды по скважине и пробной откачке ее из затоп­ ленных выработок гидравлическую связь скважины с местом прорыва воды.

Тампонирование горных пород с поверхности земли при ликви­ дации внезапных прорывов воды в горные выработки может произво­ диться с помощью цементационных насосов. Цементационные насосы с цементомешалками устанавливают вблизи от буровых скважин и со­ единяют трубами или высоконапорными шлангами с цементацион­

ными головками, укрепленными с помощью фланцевых соединений на направляющих обсад­ ных трубах (рис. 60). Чтобы при нагнетании

тампонажного раствора направляющая обсадная труба не была вы­ рвана из скважины под действием давления тампонажного раствора, она должна быть заделана в скважине на необходимую глубину, кото­ рая определяется расчетом. Направляющая обсадная труба (кондук­ тор) при нагнетании тампонажного раствора будет находиться под действием его давления Р, стремящегося вырвать трубу из скважины, и сил трения схватившегося с нею цементного камня с породными стенками скважины Т. Чтобы направляющая обсадная труба не была вырвана из скважины, необходимо, чтобы сумма сил, действующих на нее, находилась в равновесии: