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

Бетонирование методом вертикально перемещающейся трубы является наиболее прогрессивным, и его следует применять во всех случаях, когда это возможно по условиям производства работ. Раз­ дельное подводное бетонирование с применением восходящего цемент­ ного раствора рекомендуется применять в тех случаях, когда па условиям производства работ или местным условиям бетонирование методом вертикально перемещающейся трубы не может быть осуще­ ствлено.

При бетонировании методом вертикально перемещающейся трубы укладку под водой новых порций бетона производят по трубам снизу вверх внутрь ранее уложенного бетона, чем достигается полная изоля­ ция бетона от воды при его укладке. Аналогично при раздельном бетонировании цементный раствор, подаваемый по трубам под воду,

-ф^- • —ф—ф-

—ф——ф ф—

Рис. 71. Расположение буровых скважин при ликвидации прорывов воды в горные выработки с помощью подвод­ ного бетонирования:

а — в тупиковых выработках; б — в протяженных выработках

распространяясь от них в стороны и поднимаясь снизу вверх, запол­ няет постепенно пустоты в ранее засыпанном по трубам гравии, вы­ тесняя из них воду. При этом свежие порции раствора поступают все время внутрь ранее уложенных, чем достигается изоляция от воды укладываемого раствора и исключается его взмучивание и рас­ слоение, а также вымывание из него цемента.

Для обеспечения необходимого качества подводного бетона под водой бетонной смеси или цементного раствора укладывают непре­ рывно в один прием до полного окончания сооружения подводной водонепроницаемой перемычки.

Для подачи с поверхности под воду бетонной смеси следует при­ менять бесшовные трубы с диаметром 120—250 мм в зависимости от принятого диаметра скважин и максимальной крупности гравия. Соединения труб должны обладать герметичностью, не допускающей просачивания воды, цементного раствора или воздуха. Ставы труб перед спуском в скважины должны быть испытаны на соответству­ ющее гидростатическое давление. Верхняя часть ставов труб должна быть снабжена металлическими воронками или бункерами для обес­ печения непрерывного питания их бетонної! смесью при укладке под­ водного бетона. Устройства и приспособления для подвески вер-

тикально перемещающихся труб, размещения оборудования, меха­ низмов и обслуживающего персонала должны обеспечивать возмож­ ность заполнения воронок труб бетонной смесью при любом их рабо­ чем положении, спуска и подъема труб на необходимую величину в процессе бетонирования, удержания труб при смене и снятии их верхних звеньев, а также при опускании труб перед началом бетони­ рования, и извлечении их по окончании бетонирования. Кроме этого, они должны обеспечивать возможность наблюдения за процессом бе­ тонирования, заполнением труб, их заглублением, временем опораж­ нивания воронок и др. Механизмы, применяемые для подъема и опус­ кания труб, в процессе подводного бетонирования должны обеспечи­

Первоначально трубы бетонной смесью заполняют с применением предохранительных пробок или клапанов, обеспечивающих равномер­ ное заполнение труб без воздушных пробок и соприкосновение бетон­ ной смеси с водой.

После заполнения труб бетонной смесью приступают к подводному бетонированию, приподнимая трубы на 50—80 см над почвой затоп­ ленной горной выработки, освобождая под давлением столба бетона пробки или клапаны и выпуская постепенно из труб бетонную смесь в горную выработку. Выпуск бетонной смеси из труб должен все время соответствовать такому же поступлению в них бетонной смеси из воронок или бункеров с тем, чтобы трубы были полностью запол­ нены за весь период бетонирования бетонной смесью.

Укладку бетона по трубам производят все время внутрь ранее уложенного бетона, чем достигается полная изоляция его от воды и исключается его разубоживание и вымывание из него цемента, которым частично подвергается только боковая поверхность уложен­ ного бетона, соприкасающаяся с водой.

Схема подводного бетонирования показана на рис. 72.

При укладке бетона необходимо непрерывно следить за поглоще­ нием трубами бетонной смеси из воронок или бункеров, не допуская полного опорожнения последних.

Скорость подачи бетона по трубам регулируют подниманием и опусканием трубы на высоту 5—10 см. Радиус действия труб при подводном бетонировании следует принимать не более 3—3,5 м. Больший радиус действия труб не рекомендуется в связи со значи­ тельным отложением крупных инертных составляющих (гравия) вблизи труб и опасностью получения неоднородного бетона.

Скорость движения бетонной смеси в трубах должна быть такой, чтобы уровень ее не опускался ниже устья воронок или бункеров и не превышала 0,3 м/с. Уменьшение скорости движения бетона в тру­ бах достигается увеличением их заглубления в свежеуложенный бетон. Подъем труб в процессе подводного бетонирования следует про­ изводить равномерно, не допуская превышения устьев смежных труб более чем на 1/15—V20 расстояния между ними. Трубы поднимают

Рис. 72. Схема подводного бетонирования при сооружении подводной водонепроницаемой перемычки в затопленной вы­ работке:

а —• образование бетонных холмиков — затворов у вертикально перемещающихся труб; б и в — укладка вертикально перемещающимися трубами бетона внутрь ранее уложенного; г — сооруженная подводная водонепроницаемая перемычка; 1 — буровые скважины; 2 — верти­ кально перемещающиеся трубы

только при заполненных бетонной смесью воронках. Уклон поверх­ ности бетонной смеси при укладке не должен превышать 1 : 5.

Число труб для подводного бетонирования, исходя из условия укладки всего объема бетона до момента потери им подвижности,

кращать после укладки под воду проектного объема бетонной смеси с учетом 20—25% резерва. По окончании подводного бетонирования трубы должны быть подняты в буровых скважинах на необходимую высоту и бетонная смесь из них должна быть полностью выпущена, после чего трубы поднимаются на земную поверхность, по мере подъ­ ема разбираются на звенья и очищаются от остатков бетонной смеси путем промывки их водой.

После твердения бетона приступают к пробному откачиванию воды из горных выработок, и, если приток ее не превышает нормального притока, имевшегося до прорыва (что свидетельствует о закрытии подводной перемычкой притока воды из прорыва), откачивание воды из горных выработок ведут насухо и затем под прикрытием подвод­ ной перемычки производят очистку и восстановление выработок. В случаях, если подводная перемычка пропускает воду, ее дополни­ тельно укрепляют с помощью цементации.

При сооружении подводных водонепроницаемых перемычек с по­ мощью раздельного бетонирования сначала производят засыпку в горные выработки по буровым скважинам крупной составляющей (гравия), а затем заполнение в ней с поверхности по заливочным трубам пустот цементным раствором.

Засыпку гравия в горные выработки в местах сооружения под­ водных водонепроницаемых перемычек производят по обсадным тру­ бам буровых скважин, диаметр которых должен быть не менее четы­ рехкратного размера максимальных кусков гравия. Для исключения образования в трубах пробок при засыпке гравия последняя должна осуществляться с одновременной промывкой труб водой. После за­ сыпки в выработку проектного объема крупной составляющей (гравия) производят опускание в буровые скважины заливочных труб вместе с шахтными перфорированными трубами или без них, в зависимости от принятого метода подводной цементной заливки. В обоих случаях нижние концы заливочных труб должны быть опущены до начала подводной цементной заливки на почву выработок. Это достигается вращением и задавливанием труб, нижний конец которых снабжается коронкой. Для заливки цементного раствора в крупном каменном заполнителе применяют бесшовные цельнотянутые трубы диаметром

40—80 мм, рассчитанные на соответствующее гидростатическое давле­ ние и снабженные вверху воронками, обеспечивающими постоянное их заполнение цементным раствором. Меньшие диаметры труб (40— 60 мм) применяют при заливке чистых цементных растворов, большие (60—80 мм) при заливке цементно-песчаных растворов.

, Подводное бетонирование восходящим цементным раствором при­ меняют двух видов:

1. Безнапорное, при котором заливочные трубы устанавливают внутри ограждающих перфорированных шахтных труб большего диаметра. При этом растекание цементного раствора в пустотах круп­ ного каменного заполнителя происходит свободно.

2. Напорное, при котором заливочные трубы устанавливают непо­

в трубах. Устройства, механизмы и приспособления для спуска-подъ­ ема заливочных труб аналогичны применяемым при спуске-подъеме труб для бетона.

Цементный раствор в гравий заливают без перерывов. При произ­ водстве работ по сооружению подводных водонепроницаемых пере­ мычек с помощью раздельного бетонирования необходимо соблюдать непрерывность работ при заливке цементного раствора и вести работы с таким расчетом, чтобы уровень раствора за все время работ не пони­ жался в воронках ниже устья труб. Только при этом условии можно гарантировать прочность подводных перемычек, сооружаемых рас­ сматриваемым способом. Цементный раствор, поступая по заливоч­ ным трубам в воду, откладывается вокруг них в каменной наброске, при этом поступление свежих порций раствора происходит внутрь ранее уложенных, чем достигается его полная изоляция от воды. Соприкасаются с водой и бывают разубожены только наклонные плоскости раствора на глубину 20—25 см. Радиус действия заливоч­ ных труб не должен превышать. 3 м. Интенсивность заливки цемент­ ного раствора должна быть не менее 0,2м 3 /м 2 - ч . Укладываемый раствор плотно заполняет в гравии пустоты, схватывается с ним и по­ родными стенками горных выработок и, твердея, образует монолит­ ные бетонные подводные перемычки, плотно закрывающие притоки воды при прорывах. Лобовые плоскости этих перемычек вдоль горных выработок имеют откосы с уклоном х / 4 —

5. Примеры из практики

На цинковом руднике «Нью Джерси Цинк компани» (США) после проведения с помощью цементации выработки околостволыюго двора на гор. 122 м на длину 39 м от ствола в водоносных трещинова­ тых и карстовых рудовмещающих доломитах приступили к сооруже­ нию клинчатой водонепроницаемой перемычки. Для этого в кровле

смотря на то, что ее проводили с помощью цементации и при устрой­ стве вруба в ней бурили разведочные скважины, которыми трещина не была пересечена. В течение 3 ч пройденные выработки околостволь­ ного двора на гор. 122 м и ствол были полностью затоплены. Уровень воды в стволе поднялся до отметки 7 м от поверхности земли. В мо­ мент прорыва приток воды составлял 4500 м3 /ч.

ления местоположения выхода концов скважин от стенок выра­ ботки на нижнем конце колонны бурильных труб был сделан специальный вырез, к которому был прикреплен на шарнире стер­ жень диаметром 13 мм и длиной 1,8 м, который входил при спуске колонны в вырез и выходил из него при достижении колонной почвы выработки. После этого опущенную по скважине колонну на­ чинали вращать до тех пор, пока стержень не касался стенки выра­ ботки; по углу поворота и длине стержня определялось расстояние от скважины до стенки выработки. С помощью этого несложного устройства было проверено положение выхода концов всех трех скважин в выработку околоствольного двора. Стенки выработки от первой скважины находились на расстоянии 1,22 и 3,65 м, две другие

скважины были пробурены относительно выработки более центрально, и стержень колонны длиной 1,8 м при ширине выработки 4,87 м при поворотах колонны их не коснулся.

(рис. 74). После этого в скважину была опущена колонна труб с на­ глухо закрытым нижним концом и с вырезом на боковой стенке ниж­ ней трубы (рис. 75, а), через который подаваемый с поверхности но колонне песок выходил в выработку, заполняя ее во всех направле­ ниях при поворотах колонны труб до тех пор, пока в выработке не образовалась сплошная песчаная перемычка (см. рис. 74). Подача песка в выработку осуществлялась под собственным весом столба его, насыпанного в колонне.

После того как подача песка в выработку при полностью засыпан­ ной песком колонне труб и ее поворотах прекратилась и работа по сооружению песчаной перемычки была закончена, приступили к сооружению подводной цементной перемычки через скважины № 2 и 3. Для этого через скважину № 3 — ближайшую к водоносной тре­ щине — подавали под действием собственного веса, а затем под давле­

желонкой, опускаемой в скважину № 2. Вскоре после начала цемен­ тации уровень воды в стволе понизился на 40 см, а затем начал мед­ ленно повышаться. Повышение уровня воды в стволе соответствовало закачиваемому по скважине № 3 цементному раствору, что указывало на закрытие притока воды из водоносной трещины в затопленную выработку. Для большей надежности нагнетание цементного раствора по скважине № 3 продолжалось до тех пор, пока давление не подня­ лось до 10 кгс/см2 .

После этого приступили к нагнетанию цементного раствора в сква­ жину № 2. Цементация скважины № 2 осуществлялась густым це­ менти о-песчаным раствором состава (цемент : песок) 1 : 1 с отноше­ нием В/Ц = 0,63 до тех пор, пока затопленная выработка от цемент­ ной до песчаной перемычек не была полностью заполнена цементнопесчаным раствором (см. рис. 74). Это обеспечило еще более надежное закрытие притока воды из трещины в выработку околоствольного двора и значительно усилило цементную перемычку, сооруженную из скважины № 3 в затопленной выработке околоствольного двора на гор. 122 м. Всего на сооружение перемычки в выработке околостволь­ ного двора на гор. 122 м было израсходовано 224 м3 цементного рас­ твора.

Для контроля за плотностью песчаной перемычки и недопущения выноса цементного раствора в ствол в него была опущена до почвы

В этих случаях работы по цементации прекращали и песчаную перемычку через колонну труб, опущенную в скважину № 1, досыпали песком. По окончании нагнетания цементно-песчаного раствора в сква­ жину № 2 и его твердения в течение 5 суток скважины № 1 были разбурены и в них было произведено повторное нагнетание цемент­ ного раствора. После его твердения в течение нескольких суток скважины углубили ниже почвы на гор. 122 м на 6 м и через них

произвели цементацию горных пород с поверхности при давлении 5—10 кгс/см2 . Через 5 дней вода из ствола была откачана без всяких осложнений. Из ствола ниже гор. 122 м в зону прорыва было пробу­ рено 16 горизонтальных скважин, через которые была произведена дополнительная цементация горных пород, после чего приступили к разборке песчаной перемычки в выработке околоствольного двора. Одновременно с разборкой песчаной перемычки из выработки около­

к разборке цемептно-песчаной перемычки. Разборку перемычки вели без применения буровзрывных работ с помощью бетоноломов. Когда перемычка была разобрана, над местом прорыва воды была сооружена бетонная водонепроницаемая перемычка с металлической дверью, под прикрытием которой в дальнейшем проводили выработки.

При строительстве одной из угольных шахт в Китайской Народ­

Откачать воду из выработок через стволы при таком притоке воды в них оказалось невозможным, и ликвидацию внезапного прорыва решено было осуществить с предварительным закрытием источника прорыва воды в горные выработки с помощью подводного бетониро­ вания с поверхности земли.

Перед ликвидацией аварии маркшейдерами на земной поверхности была вынесена проекция оси штрека и на ней точно нанесено место прорыва воды в штрек. Далее по оси проекции штрека в месте прорыва воды была намечена буровая скважина и по обе стороны от нее, на расстоянии 5 м, намечены еще две буровые скважины. После этого приступили к бурению скважин станком вращательного бурения типа ЗИФ-650А. Вначале была пробурена центральная скважина, а затем по очереди две периферийные скважины конечным диаметром 150 мм.

По окончании бурения с поверхности в скважины были опущены ставы обсадных труб и по ним в затопленную выработку был засыпан гравий с максимальной крупностью кусков до 40 мм. После образова­ ния в затопленной выработке у скважин конусов гравия (рис. 76, а) по скважинам под давлением 3—5 кгс/см2 нагнетали воду, которая разрушала образовавшиеся у скважин конусы гравия и обеспечи­ вала постепенное заполнение им горной выработки между буровыми скважинами (рис. 76, б). По окончании засыпки по буровым скважи­ нам в затопленный штрек гравия в скважины были опущены ставы труб диаметром 60 мм и через них с земной поверхности приступили к заливке в гравийную засыпку цементного раствора состава 1 : 1 до 1 : 0,6 (цемент : вода), которая велась самотеком, под давлением собственного веса столба раствора (рис. 76, е). После твердения це­ ментного раствора под давлением 10—15 кгс/см2 произвели повтор-

ное нагнетание цементного раствора состава 1 : 1 до 1 : 2. После твер­ дения цементного раствора с помощью подвесных проходческих насо­ сов ППН-50 произвели пробное откачивание воды из стволов шахт.

Рис. 76. Схема сооружения водонепроницаемой пере­ мычки и закрытия притока воды из прорыва с помощью раздельного подводного бетонирования:

Пробное откачивание показало, что с помощью подводной перемычки, уложенной с поверхности по буровым скважинам, приток воды из прорыва закрыт и в затопленные горные выработки поступает только нормальный приток воды, имевшейся в них до прорыва. Далее через вертикальные стволы насосами ППН-50 полностью откачали воду из затопленных выработок шахты.