Проблемы водоизоляции действующих шахт от притоков воды из ликвидируемых горных предприятий Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© М.В. Суптелин, 2002

УДК 622.257.5(06)

М.В. Суптелин

ПРОБЛЕМЫ ВОДОИЗОЛЯЦИИ ДЕЙСТВУЮЩИХ ШАХТ ОТ ПРИТОКОВ ВОДЫ ИЗ ЛИКВИДИРУЕМЫХ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

По мере закрытия нерентабельных и отработавших свои запасы шахт возникает проблема перетока воды в действующие горные предприятия. Особенно, если они связаны между собой общими горными выработками.

В практике цементационных работ наибольшее применение получили клиновидные бетонные одно- или многоступенчатые перемычки. Однако опыт показал, что их использование не дает гарантии сооружения надежного водо-упора. В последнее время находят применение бетонные водоупорные перемычки в комплексе с тампонированием трещиноватого приконтурного массива тампонажным раствором. Но при большом значении гидростатического давления получить положительный эффект при их использовании не всегда удается, так как техногенные трещины наиболее распространены непосредственно в приконтурном массиве и при его тампонаже раствор вытекает в свободное пространство выработки, но не распространяется по трещинам. Следовательно, невозможно создать завесу требуемых размеров для надежной изоляции шахты от перетока воды через перемычку.

Предлагается использовать конструкцию водоупорной перемычки, которая позволит при малых затратах, в короткий срок соорудить надежный водоупор.

Такая конструкция состоит из двух бетонных перемычек, пространство между которыми заполнено вязкопластичным составом, и тампонажной завесы в приконтурном массиве пород.

Сущность технологии заключается в закачке вязкопластичного материала 3 по трубопроводу между двумя бетонными перемычками 1 и 2, располагающимися на расстоянии L друг от друга, которое рассчитывается исходя из размеров тампонажной завесы 4 в массиве пород для предотвращения через него фильтрации воды (см. рис. 1). Расстояние L можно определить исходя из размеров формируемой тампо-

нажной завесы в кровле выработки, которая способна выдержать пластовое давление:

ь а^,

1 2 • Р.

где а — коэффициент запаса прочности завесы, 2-5; 5 —усредненное раскрытие трещин; Рпл— перепад давления на завесу; Рт— пластическая прочность тампонажного раствора.

Толщина перемычки 1 рассчитывается по формулам Алексеева В.А. из условия прочности на сжатие в зависимости от пластового давления:

_ АР .

Ь1 =1^1 П2 + Л

4 • к•S•АР

2 • к • tga

(1)

где -- коэффициент перегрузки; П -- периметр выработки в проходке; к — коэффициент, учитывающий расхождение между действительной и расчетной формой вруба под перемычку; S — площадь, на которой перемычка воспринимает давление нагнетания раствора; А Р— максимальное расчетное давление нагнетания раствора; а — угол наклона боковых граней перемычки; Яб — расчетное сопротивление бетона на сжатие в раннем возрасте.

Расстояние L проверяется по формуле для расчета предохранительного целика:

I = ЛРА,

П • тс ’

где Рпл — пластовое давление; S — площадь сечения выработки; П — периметр выработки; тс — допускаемое напряжение раствора на срез.

Если длина заполнения L меньше размеров завесы L1, то изменяется состав раствора, то есть определяется величина предела прочности на сдвиг, позволяющая при минимальных затратах сформировать перемычку требуемых размеров.

Толщина перемычки 2 рассчитывается из условия прочности на сжатие по формуле (1), в зависимости от перепада давления АР, которое обусловливает распространение тампонажного раствора по горной выработке и заполнение приконтурной части трещин массива.

Перепад давления при заданном режиме работы насоса тампонажного агрегата рассчитывается по формуле

л р = 2-Ъ±

8 ,

где то — динамическое напряжение сдвига раствора; 5 — раскрытие трещины.

Но эта формула справедлива только для распространения раствора по трещине, поскольку учитывает сопротивление движению раствора только двух плоскостей (почва и кровля трещины), и не справедлива для горной выработки, где закономерность распространения раствора иная.

Рис.1. Схема сооружения водоизоляционной перемычки

Перемычка 2 должна играть не только роль перегородки для ния необходимой толщины тампо-нажной завесы, но и принимать на себя часть усилий, возникающих при большом пластовом давлении, т.е. давление, которое должно жать заполнение, будет равно

Рз = Рпл -АР-

По полученному значению Рз выполняется проверка устойчивости заполнения:

Р < Р’ =

з з

L • П-т ’с

X-S

(

>$■/ \\

$ і/

Г 4/

Рис.5 Рис. 2 г г\п л _ _3

где Т — допускаемое напряжение на сдвиг принятого раствора.

Анализ опыта формирования водоизоляционной перемычки глиноцементным раствором между шахтами «Наклонная» и «Аютинская» показывает, что при перепаде давления в 4,0 МПа проектная длина завесы составила 106 м, на что потребовалось 1066 м раствора. А для тампонирования трещиноватой зоны вокруг выработки достаточно завесы диаметром 36 м, то есть длина перемычки в выработке завышена в 3 раза. Таким образом, материальные и трудовые затраты как минимум в два раза выше по сравнению с оптимальными.

Такая конструкция была использована при ликвидации водопритока в действующую ш. «Платовскую» по квершлагу из отработавшей свои запасы ш. «Антрацит» ОАО Гуков-уголь. Между двумя бетонными перемычками, расстояние между которыми составило 42м закачивался тампонажный раствор (плотностью 1.36 кг/м , пластической прочностью 1600 Па). В приконтурном массиве была сооружена завеса из того же раствора по всей длине конструкции.

Однако при проделанной работе после затопления шахты «Антрацит» наблюдалось сначала уменьшение, а потом рост водопритока в выработку шахты «Платовская» через перемычку и бока выработки.

Это было связано с тем, что техногенные трещины в массиве пород непосредственно вокруг выработки были не основательно заполнены тампонажным раствором в следствии недостаточного давления нагнетания, а так же распространением трещин в массиве в основном по простиранию пласта. При дополнительной закачке тампонажного раствора в выработку и увеличения радиуса завесы в массиве во-доприток значительно уменьшился (пластовое давление составляет 3,4 МПа).

На шахте «им. В.И. Ленина» ОАО «Ростовуголь» ликвидировались водопритоки в главный ствол №2 из примыкающих выработок отработанного верхнего горизонта по комплексному методу тампонажа.

На участке главного ствола №2 пробурены 4-е скважины (рис. 2):

Они вскрыли сопряженные со стволом и близкорасположенные от ствола выработки, пройденные по пластам к2с, к21, а также зоны их влияния в околоствольном массиве.

Всего, с целью гидроизоляции ствола выполнено нагнетание 9123 м . тампонажного раствора, в том числе раство-

ными прочностными свойствами — 3032 м .

Тампонаж сопряженных со стволом выработок, пройденных по пласту к21, проводился через проложенные в выработках трубопроводы после установки ограждающих перемычек (рис. 3), препятствующих растеканию тампонажного раствора на расстояние больше предусмотренного проектом. Расчет длины перемычки производился по формуле для расчета предохранительного целика. По окончанию нагнетания отдельных порций тампонажного раствора проводились визуальные обследования сопряженных со стволом выработок с целью определения качества гидроизоляции ствола в данном интервале.

После окончания тампонажных работ, скважины были разбурены до глубины залегания кровли пласта к21 и в них выполнены контрольные опрессовки сооруженных гидроизоляционных завес. Отсутствие, на момент окончания там-понажных работ, поглощений в скважинах, подтверждает, тампонажные работы выполнены с надлежащим качеством, сооруженная вокруг ствола гидроизоляционная завеса гарантирует изоляцию ствола от аварийных прорывов воды, как в интервалах сопряженных со стволом выработок, так и в зонах их влияния.

На момент окончания тампонажных работ остаточный водоприток в ствол составляет 7,8 м /час.

Аналогичные работы по сооружению водоизоляционных перемычек в старых горных выработок были выполнены вокруг вспомогательного ствола №2 шахты «им. В.И. Ленина».

На шахте «Западная-Капитальная» ОАО «Ростов-уголь» проводились тампонажные работы по гидроизоляции вспомогательного ствола №2. Согласно рабочему проекту на участке вспомогательного ствола №2 были пробурены две скважины глубиной 280 м каждая (рис. 4), вскрывшие со

пряженную со стволом выработку,

пройденную по пласту к^1 в интервалах 255,0 - 258,0 м и 253,2 - 256,0 м. Всего, с целью гидроизоляции ствола, было закачено 3406 м тампонажного раствора.

В результате выполненных работ полностью ликвидирован водопри-ток в интервале сопряжения ствола со «старой» шахтой. Общее уменьшение водопритока по

стволу составило 36.5 м3/час. Остаточный водоприток составляет 9,5

м3/час.

В сопряженной со стволом выработке путем проведения тампонажных работ как с поверхности так и по трубопроводу, проложенному по стволу возведена цементно-глинистая перемычка.

При гидроизоляции главного ствола №2 ш. «Западная-Капитальная» (рис. 5) тампонаж сопряженной со стволом выработки по пласту к21 в интервале отметок 259,8-262,4 м был произведен по двум трубопроводам, проложенным в ствол.

Предпочтение отдавалось вариантам, при которых можно с максимальной достоверностью контролировать качество тампонажных работ. Общий объем закаченного в выработку тампонажного раствора составляет 2085 м3.

Расчет длины перемычки производился по формуле для расчета предохранительного целика.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что комплексный метод тампонажа трещиноватых пород и его методика нуждаются в корректировке для создания гидроизоляционных завес в старых горных выработках и выработанном пространстве, и разработанная технология позволит формировать надежные водоизоляционные перемычки даже в труднодоступных местах горных выработок, а также значительно сократить материальные и трудовые затраты.

------------------СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 .Тампонаж обводненных горных пород/ Э.Я. Кипко, Ю.А. Полозов и др. — М.: Недра, 1989.—318с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Суптелин М.В.