книги из ГПНТБ / Калмыков Е.П. Борьба с внезапными прорывами воды в горные выработки
.pdfПо окончании активного замораживания горных пород, образо вания ледопородной перемычки и закрытия с ее помощью источника прорыва плывунов в горные выработки производят откачивание воды, скопившейся в горных выработках, и приступают к разборке в горных выработках водонепроницаемых или удерживающих (филь трующих) перемычек (при их наличии), а затем к расчистке заплывуненных выработок, восстановлению нарушенной крепи и дренажной сети.
При малейшей угрозе нового прорыва плывунов или их движения по восстанавливаемым выработкам, угрожающего безопасности рабо чих, работы по восстановлению выработок необходимо прекратить и рабочим выйти в безопасное место. При подходе восстановительных работ к ледопородной перемычке доляшы быть уточнены с помощью бурения через заделанные в нее кондукторы с сальниками и кранами контуры перемычек и температура замороженных пород и на основе этого произведен проверочный расчет ее прочности, а также ледопородных стенок в кровле, почве и стенках выработки, которая должна быть пройдена в ледопородной перемычке. После провероч ных расчетов и подтверждения ими необходимой прочности ледопородных стенок, достаточной для исключения возможности вторич ного прорыва через них плывуна, проводят по замороженной зоне выработки в зоне прорыва плывунов, закрепляя выработки усилен ной крепью, рассчитанной на давление плывунов. С окончанием проведения выработки по замороженным горным породам в зоне прорыва плывунов заканчиваются ликвидация прорыва и восста новительные работы.
Дальнейшее проведение выработок ведут с предварительным сооружением перед прорывоопасными участками водонепроницаемых перемычек с дверьми, водопонижением подземных вод и другими мерами предосторожности.
В соответствующих горногеологических условиях ликвидация внезапных прорывов плывунов в горные выработки шахты может быть произведена не с поверхности земли, а из соседних незатопленных при прорыве горных выработок, аналогично примеру ликвида ции прорыва плывуна на шахте «Новомосковская» (стр. 220).
3. Расчет ледопородных перемычек
Конструкции ледопородных перемычек, сооружаемых в затоплен ных горных выработках с помощью искусственного замораживания с поверхности земли, исключительно просты и представляют из себя прямоугольные параллелепипеды с волнистыми стенками, образу ющимися при замораживании горных пород. Размеры ледопородных ограждений и перемычек определяют их назначением и расчетом. Расчет ледопородных перемычек производят на максимальное гидро статическое давление плывунов, действующее на них со стороны прорыва для двух случаев их работы:
I . При закрытии перемычками притоков плывунов или воды
сбольшим содержанием в ней размытых горных пород из прорыва;
П. При восстановлении затопленной при прорыве или проведе нии в пределах замороженной зоны новой горной выработки.
Вслучаях, когда замораживание горных пород при ликвидации внезапных прорывов плывунов производят для последующего вос становления или проведения новой протяженной горной выработки, расчет ледопородной стенки производят только для случая П.
Расчет ледопородной перемычки для случая I ее работы произ водят на сопротивление ее материала сжатию и срезыванию и для случая I I ее работы — на сопротивление материала только срезы ванию, под действием максимального гидростатического давления плывунов или воды с большим содержанием размытых горных пород, которое рассматривается как давление тяжелой жидкости.
Рассмотрим расчет ледопородной перемычки для случая I ееработы при закрытии притока плывуна из прорыва.
Под действием полного давления Рп плывуна, действующего со стороны прорыва на ледопородную перемычку, по всему попереч ному сечению горной выработки, в которую он прорвался, ледопородная перемычка стремится сдвинуться в противоположную сторону. Этому сдвижению сопротивляются горные породы, на кото рые перемычка давит при своем сдвижении, по периметру горной выработки за ее контурами. Чтобы ледопородная перемычка не сдви нулась, необходимо, чтобы действующие на нее силы по оси горной выработки находились в равновесии, т. е.
ZX = Pn-N |
= 0, |
(XI . 18) |
где N — полная сила сопротивления горных пород сжатию, удер живающая ледопородную перемычку, тс/м2 .
Полное давление плывуна, действующее на ледопородную пере мычку со стороны прорыва,
Pn^XpS^Xpab, |
( X I . 19) |
|
где А, — коэффициент перегрузки, |
равный 1,2—1,3; |
|
S = ab — сечение затопленной при |
прорыве горной |
выработки, |
вкоторой сооружают ледопородную перемычку, м2 ;
а— ширина затопленной выработки, м;
Ъ— высота затопленной выработки, м.
Сила сопротивления горных пород сжатию
N = monF, |
(XI . 20) |
|
где т — коэффициент условий |
работы, равный 0,6—0,7; |
|
а п — расчетное сопротивление горных пород сжатию, тс/м2 ; |
||
F — площадь перемычки, |
передающая действующее |
на нее |
давление плывуна горным породам, |
|
|
F = АБ — аЪ, м2 .
Но из рис. 79 следует, что:
А = а + 2с;
Б+ 2с.
Окончательно, площадь перемычки, передающая действующее на нее давление плывуна горным породам после подстановки значе ний А и Б,
F = Ас* + 2с(а + Ь), м2 . |
(XI.21) |
—
/ Г/7
« |
•'•''••'1 » |
1
Рис. 79. Расчетная схема ледопородной перемычки при ликвидации прорывов плывуна в горные выра ботки
Подставив в равенство ( X I . 18) |
значения Рп |
и |
N |
из |
равенств |
|
(XI.19) и (XI.20) и принимая при |
этом значение |
F |
из |
равенства |
||
(XI . 21), получим |
|
|
|
|
|
|
ХраЬ — топ [4с2 4- 2с (а + |
6)] = |
0 |
|
|
|
|
или после преобразований |
ХраЬ = |
0, |
|
|
|
|
с2 -1- |
|
|
|
|
||
откуда ширина площади опирання ледопородной перемычки о горные породы
с=
Вслучае, если ледопородная перемычка имеет меньшую проч
ность на сжатие, чем окружающие ее горные породы, |
т. е. о п ^> а, |
|
то при |
расчете по полученной нами формуле (XI.22) следует при |
|
нимать |
вместо оп расчетное сопротивление сжатию |
замороженных |
горных пород о. Определив из условия прочности на сжатие ширину площади опирання перемычки о горные породы, легко можно найти по предыдущему ее необходимую ширину А и высоту Б.
Толщина перемычки В может быть найдена из условия прочности ее на срезывание.
Под действием давления плывуна Рп ледопородная перемычка (см. рис. 79) будет стремиться срезаться по периметру горной выра ботки. Этому сопротивляются внутренние силы сцепления пере мычки. Для того чтобы срезывания (продавливания) не произошло, необходимо сохранить условие равновесия, т. е.
V A ' ' |
/ ' О. |
(XI.23) |
Сопротивление перемычки |
срезыванию |
|
F^mxJlB, |
(XI.24) |
|
где тп — расчетное сопротивление замороженных горных пород сре
зыванию, тс/м2 ; |
|
|
|
|
I I — периметр затопленной |
выработки; |
|
||
II |
2(а |
Ь). м-. |
(XI.25) |
|
Подставив значения Рп |
и F |
из |
равенств |
(XI.19) и (XI.24) в ра |
венство (XI.23) и принимая во внимание при этом значение П из равенства (XI.25), получим
ХраЬ — 2тотп (а + |
Ъ) В = О, |
|
|
откуда толщина ледопородной |
перемычки |
|
|
В = о |
ХРа* |
, м. |
(XI.26) |
При расчете ледопородных перемычек предел прочности заморо женных горных пород при сжатии может быть принят по данным исследований кафедры строительства подземных сооружений Москов ского горного института, проведенных под руководством проф. Н. М. Покровского. Согласно этим исследованиям предел прочности замороженных горных пород сжатию составляет:
для песков средней крупности
a = c1 + |
c 2 V r 6; |
(XI.27) |
для пылеватых песков и глин |
|
|
о - С і |
+ с2 Є, |
(XI.28) |
где C J H C J — коэффициенты, принимаемые в зависимости |
от пори |
|
стости и весовой влажности по табл. 26; |
|
|
9 — температура замораживания горных пород, |
град. |
|
Согласно исследованиям С. С. Вялова и П. Н. Тютюнника, с уве личением времени воздействия нагрузки предел прочности заморо женных горных пород одноосному сжатию снижается по сравнению с первоначальным в 2—3 раза.
|
Пористость, |
Весовая |
Коэффициенты |
||
Горные породы |
|
|
|||
% |
влажность, % |
Сі |
с2 |
||
|
|||||
Песок средней крупности . . . . |
38 |
10,0 |
11,2 |
17,1 |
|
|
|
16,7 |
21,9 |
21,5 |
|
|
|
22,5 |
37,6 |
21,6 |
|
|
42 |
8,1 |
5,1 |
2,3 |
|
|
|
15,0 |
8,6 |
3,3 |
|
|
|
23,0 |
11,5 |
5,2 |
|
|
40 |
8,0 |
5,9 |
2,0 |
|
|
|
14,7 |
10,2 |
3,1 |
|
|
|
24,0 |
15,7 |
3,5 |
|
При определении расчетного сопротивления сжатию заморожен ных горных пород также необходимо учесть коэффициент их неодно родности тп, равный 0,7—0,8. Таким образом, расчетное» сопротивление замороженных горных пород сжатию
ап — тнпло, |
( X I . 2Р> |
где п д — коэффициент снижения во времени предела прочности замороженных горных пород сжатию, который в соответ ствии с вышеизложенным следует принимать: для песковсредней крупности Ид = 0 ,5 и для пылеватых песков и глин Ид = 0,35.
Учитывая хорошее сцепление замороженных горных пород и пла стичность, расчетное сопротивление их срезыванию может быть принято в среднем
т п - ( 0 , 2 0 - 0,25) а п .
Во втором случае, при восстановлении или проведении новых горных выработок по замороженной зоне, необходимо над выработкой или под нею иметь такой целик замороженных горных пород, кото рый исключал бы прорыв через него плывуна. Расчет целика заморо женных горных пород производят на срезывание. Максимальное возможное давление на целик плывуна (см. рис. 79)
Рп =- %раВ. |
(XI.30). |
Суммарные срезывающие усилия, возникающие в целике под
действием давления плывуна, |
|
F 1 = mxn2c^B. |
(Х1.31> |
Чтобы не произошло деформации целика замороженных горных пород и прорыва плывуна при этом в горную выработку, необходимо, чтобы было сохранено условие равновесия действующих на целикеусилий:
2>Y = F1-P'„ = 0, |
(Х1.32> |
или после подстановки значений |
и Рп из равенств (XI.31) и (XI . 30) |
в равенство (XI.32), получим |
|
2 т т п с ц 5 — КраВ = 0, откуда искомая толщина целика
Хра
м. (XI.33)
2тхп
Рассмотрим применение полученных выводов и формул на кон кретном примере.
Пример. Рассчитать ледопородную |
перемычку при ликвидации |
внезапного |
||||||||
прорыва плывуна в горную выработку, если размеры затопленной |
выработки |
|||||||||
вчерне: ширина |
а = |
4 м |
и |
высота Ь = |
3 м, высота слоя плывуна |
hn = |
30 м |
|||
и объемный |
вес |
его Yn = |
1,7 т/мЗ. |
Коэффициент перегрузки |
X = |
1,3, |
коэф |
|||
фициент условий |
работы |
т = 0,7. |
|
Замораживание производят |
аммиачной |
|||||
холодильной |
установкой. Средняя |
температура замороженных |
горных |
пород |
||||||
Є = _ 12° С. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.Удельное давление плывуна
Я = 1,7 -30 |
50 тс/м 2 . |
2. Временное сопротивление замороженных горных пород (глин и суглин ков) сжатию при весовой влажности 22 — 24%
0 = 1 5 , 7 + 3,5 • 12 s 58 кгс/смЗ = 580 тс/м 2 .
3. Расчетное сопротивление замороженных горных пород сжатию
(Тп = 0,7 - 0,35 - 580 ss; 140 тс/м 2 .
4. Расчетное сопротивление замороженных пород срезыванию
т п = 0,15-140 = 20 тс/м2 .
5. Ширина площади опирання ледопородной перемычки о горные породы при расчетном сопротивлении глинистых пород в месте опирання стп = 25 тс/м2 составит
|
|
1 .. |
, „ ч [ Л [ 4 - 1 . 3 - 5 0 - 4 - 3 |
+ |
, л |
\ |
|||
|
C |
= T ( 4 + |
3 ) ( J / |
0 | 7 . 2 5 ( 4 + |
3 ) |
а |
1 - ^ = 2 и . |
||
6. |
Ширина |
и высота ледопородной перемычки |
|
||||||
|
|
|
4 = 4 + 2 - 2 = 8 м ; |
|
|
|
|||
|
|
|
|
£ = 3 + 2 - 2 = |
7 |
м. |
|
|
|
7. |
Толщина |
ледопородной |
перемычки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
_ |
1 , 3 - 5 0 - 4 - 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 - 0 , 7 - 2 0 ( 4 + 3) _ |
|
4 |
М - |
|
||
8. Толщина целика замороженных горных пород при проведении горизон тальной выработки в пределах перемычки
12' •3 -0,75 0 '•4 20 = 3 , 2 м .
9. |
В связи с |
тем что сц > |
с и |
необходимо пересмотреть полученные В II. 6 |
расчета |
размеры |
перемычки: |
|
|
|
|
А' |
= 4 |
+ 2- 3,2 ^ 10,5 м; |
£ ' = 3 + 2 - 3 , 2 ^ 9 , 5 м.
10. Окончательная толщина ледопородной перемычки с учетом проведения выработки за пределами прорыва по замороженной зоне
£ ' = 4 + 4 + 2 = 10 м,
где 2 — ширина выработки в месте прорыва плывуна.
4. Приближенный расчет замораживания горных пород
При ликвидации внезапных прорывов воды с большим выносом песчано-глинистых частиц или плывунов в горные выработки шахт с помощью замораживания с поверхности земли расчет заморажива ния горных пород в местах прорывов сводится к определению числа
Рис. 80. Расположение замораживающих скважин при сооружении ледопородных перемычек с по верхности земли:
а — параллельными рядами; б — в шахматном порядке
замораживающих скважин, необходимого холода для образования ледопородной перемычки, мощности холодильной установки и вре мени замораживания горных пород.
Диаметр замораживающих скважин обычно принимают в шахтном строительстве 146 мм и в метростроении 100 мм. Расстояние между замораживающими скважинами в рядах принимают 1,3—2,0 м. Расстояние между рядами замораживающих скважин принимают равным расстоянию между замораживающими скважинами в рядах. При этом обеспечивается наиболее равномерное замораживание горных пород в пределах ледопородной перемычки.
При сооружении ледопородных перемычек замораживающие скважины располагают параллельными рядами (рис. 80, а) и в шах матном порядке (рис. 80, б). При расположении скважин в шахмат ном порядке достигается более равномерное замораживание горных пород и более равномерная их прочность. Число замораживающих скважин (без учета резервных, термических и гидронаблюдательных), необходимых для сооружения ледопородной перемычки, зависит от площади перемычки в плане, расстояния между заморажива ющими скважинами и их взаимного расположения:
при параллельном расположении |
|
|
|
||
|
^ с = |
4 г ; |
|
|
(XI . 34) |
при шахматном расположении |
'с |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
N'c=-^ |
+ nc, |
|
|
(XI . 35) |
|
|
'с |
|
|
|
где S — площадь ледопородной перемычки в плане, |
м 2 ; |
|
|
||
1С |
— расстояние между замораживающими скважинами, |
м; |
|||
/гс |
— число дополнительных скважин при шахматном |
расположе |
|||
|
нии, которое определено графически в зависимости от числа |
||||
|
рядов: |
|
|
|
|
Число |
|
3 |
4 - 5 |
6 - 7 |
8 - 9 |
Число |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
Кроме подсчитанных, необходимо добавить не менее четырех термических скважин, по одной с каждой стороны.
Для рассматриваемых условий радиус замораживания горных пород от замораживающей скважины (рис. 80)
r = Y~2- =0,71J C , м. |
(XI . 36) |
Приближенно для практических расчетов |
по данным ИГД |
им. А. А. Скочинского средняя температура замороженных горных пород
tc = 0A5tK, |
(XI.37) |
где tK — температура |
пород |
у |
поверхности |
замораживающей |
||||||
|
колонки, |
град. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Объем ледопородной |
перемычки |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
W = еАВВ, |
м2 , |
|
(XI.38) |
|||
|
где є — коэффициент, |
учитывающий |
неравномерность |
поверх |
||||||
|
ности ледопородной перемычки, равный 1,1—1,2; |
|
||||||||
А, |
Б, В — соответственно |
ширина, |
высота |
и толщина |
пере |
|||||
|
мычки, м. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При замораживании горных пород в пределах ледопородной |
|||||||||
перемычки холод |
расходуется |
на |
охлаждение |
породного |
скелета |
|||||
с |
температуры tn |
— до замораживания |
до температуры t3 — после |
|||||||
замораживания; охлаждение воды, находящейся в порах и пустотах
породного скелета с температуры tn |
до 0° С; превращение ее в лед |
и охлаждение льда с температуры 0 |
С до температуры t . |
Объем породного скелета перемычки |
|
|
Wn = W-WE. |
|
|
|
|
(XI.39) |
|||
Количество холода, |
необходимое: |
|
|
|
|
|
|
||
1) для охлаждения |
воды |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
qi=WByBcB(tu-t0)^ |
|
|
|
|
|
(XI.40) |
||
2) для превращения воды в лед |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
<к |
И\д\.г; |
|
|
|
|
(XI.41) |
|
3) для охлаждения |
льда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
qa^WbyaC]l(t0 |
+ |
t3); |
|
|
|
(XI.42) |
||
4) для охлаждения |
породы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q^WnynCn(tn-t3), |
|
|
|
|
|
(XI.43) |
||
где W; Wn и WB — объемы |
соответственно |
ледопородной |
пере |
||||||
мычки, породного скелета и воды, |
м 3 ; |
|
|||||||
YB! Ул'і Уп — удельные |
веса |
воды |
|
(1000 |
кг/м3 ), |
льда |
|||
(900 кг/м3 ), |
породы; |
|
|
|
|
||||
с в! сл'ісп — теплоемкость |
воды |
(1 |
ккал/кг-град); |
льда |
|||||
(0,5 ккал/кг-град), |
|
породы |
(0,2 |
ккал/кг-град); |
|||||
с = 80 — скрытая теплота льдообразования |
(ккал/кг); |
||||||||
^гп h — температура |
породы |
до |
и |
после |
заморажива |
||||
ния, град; |
|
|
|
|
|
|
|
||
ц — коэффициент |
термоактивной |
влажности (для пе |
|||||||
сков (д, = |
0,97, для глин и суглинков \i = |
0,6 -f- |
|||||||
-f- 0,9 в зависимости от числа пластичности этих пород).
Количество холода, необходимое для замораживания горных
пород в пределах ледопородной перемычки, |
|
Ия = Яі + Ч2 + д3 + Я^ ккал. |
(XI.44) |
Кроме холода, необходимого для замораживания горных пород, необходимо учитывать потери на тепловой приток в процессе замора живания. Потери холода на тепловой поток при упрощенных расче тах обычно принимают q0 = 6 ккал/м2 /ч. Замораживание горных пород происходит в результате теплообмена между холодоносителем, циркулирующим в замораживающих колонках, и горными породами. Интенсивность этого теплообмена зависит от общей холодопередающей поверхности замораживающих труб, которая равна
F3 = ndh3Nc, |
(XI.45) |
где d — диаметр замораживающей колонки, м; h3 — высота замораживания, м.
Потери холода на тепловой приток в начальный период замора
живания горных пород |
|
|
|
Яп. н = 3 1 |
dh3Ncq0, |
ккал/ч. |
(XI . 46) |
Потери холода на тепловой приток в конце замораживания горных |
|||
пород (в период пассивного замораживания) |
|
||
G 7 n . K = 2 [ ( A + |
B ) B + |
A B ] g 0 , ккал/ч. |
(XI.47) |
Средние потери холода на тепловой приток в период активного замораживания
g c p = g " - H + g n . K ( к к а д / ч _ |
(XI.48) |
Холодопередающая способность замораживающих колонок опре |
|
деляется из равенства |
(XI.49) |
Q=ndh3Ncqx, |
|
где qx — удельная тепловая передача от внешней |
поверхности за |
мораживающих труб к окружающей породе, равная 225— |
|
250 ккал/м2 -ч. |
|
Холодопроизводительность замораживающей станции |
|
<?з.с = &<?, |
(XI.50) |
где к — коэффициент, учитывающий потери холода в заморажива ющей станции и рассолопроводах, равный 1,1—1,2.
Продолжительность образования ледопородной перемычки при ближенно может быть определена по формуле
т |
__ |
|
(XI.51) |
|
|
24 (<?3 . с - ? с р ) |
|
|
|
|