CC BY
37
В третий год, весною, после внесения удобрений, почву уже можно обрабатывать дисковыми лущильниками. Посевные и уборочные работы проводить по принятой сельскохозяйственной технологии.
За 3-4 года интенсивной технологии, по восстановлению пахотных земель, возможно, создать растительный слой мощностью 8-12 см. Только после его создания создаются условия для проведения
весновспашки. Но глубину пахотного слоя в первый год возможно принять 10-12 см и продолжать высев трав еще 2-3 года и постепенно углубляя глубины весновспашки на 2-3 см. После создания растительного слоя на глубины 16-18 см мы получим возможность посева зерновых культур, как например пшеницу, рожь.
В дальнейшем можем переходить и к зерновой и к травопольной системе с 5-6 годичным периодом.
— Коротко об авторах -
КозловВ.А., Большаков А.И. - ЧитГУ.
-------------------------------------- © В.А. Хямяляйнен, В.В. Иванов,
Е.В. Гурский, Я. С. Долганова,
Е.А. Беляков, 2006
УДК 622.257.1
В.А. Хямяляйнен, В.В. Иванов, Е.В. Гурский,
Я. С. Долганова, Е.А. Беляков
ПРОБЛЕМЫ ВОЗВЕДЕНИЯ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЗАВЕС ВОКРУГ ВОДОУПОРНЫХ ПЕРЕМЫЧЕК ПРИ ЛИКВИДАЦИИ И КОНСЕРВАЦИИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Семинар № 8
~П настоящее время происходит угЛУ лубление горных работ, отработаны легкодоступные месторождения, идет консервация и ликвидация нерентабельных шахт. Консервация и ликвидация угольных шахт идет, как правило, путем их затопления. Это приводит к повышению уровня подземных вод, загрязнению чистых водоносных горизонтов и, в целом,
к ухудшению экологической обстановки в угольных регионах. Кроме того, в России более 20000 м участков выработок находятся в затопленном состоянии только вследствие аварий на шахтах. В России 189 угольных шахт и разрезов. В Кузбассе ликвидируются 43 шахты, их них 13 с затоплением, 15 частично с погружными насо-
сами, 15 частично затоплены с притоком на рабочие поля шахт.
Весьма перспективной является «сухая» консервация угольной шахты, когда осуществляется дренирование подземных вод в ствол и последующая их откачка в очистные сооружения на поверхности. Однако, применение традиционной технологии дренирования и сбора воды приводит к значительным размерам депресси-онной воронки и большим водопритокам, что в свою очередь требует создания подземных водосборников увеличенного размера и значительных затрат на водоотлив. Отсутствие регулирования дренирования подземных вод приводит, например, к увеличению притока воды во время паводка более чем в два раза.
Представляется целесообразным
рассмотреть возможность регулирования притока воды в вертикальную выработку путем сооружения вокруг ствола тампо-нажно-дренажной завесы и возведения водоупорных перемычек в сопряжениях с горизонтальными выра-ботками для создания подпора подземных вод и регулирования перепуска воды через дренажные и водоспускные скважины. При этом особую актуальность приобретают вопросы обоснования параметров технологии тампонажа, возведения водоупорных перемычек и сооружения водоспускных скважин, учитывающих специфику сопряжения вертикальной выработки с горизонтом. Существующие технологические схемы возведения водоупорных перемычек с предварительной инъекционной подготовкой массива не могут быть использованы, так как разработаны для протяженных горизонталь-
Разработана принципиальная технологическая схема изоляции выработок от затопления. Предлагаемая комбинированная технологическая схема (рис.1) включает в себя создание противо-фильтрационной тампонажной завесы вокруг ствола по его длине, возведение в сопряжениях ствола с другими горизонтами предохранительных водоупорных перемычек с предваритель-
ной инъекционной подготовкой массива горных пород, сооружение дренажных (водоспускных) скважин из ствола до пересечения с вышерасположенными затопленными выработками. При этом водоспускные скважины позволяют регулировать размеры депрессионной воронки, напор подземных вод и приток воды в водосборник. Это в свою очередь позволяет регулировать систему водоотлива. Причем появляется возможность регулирования водоотлива в экстремальных ситуациях (например, во время паводка).
Основными параметрами технологии тампонажа являются давление нагнетания раствора, его расход в скважину, радиус распространения, время нагнетания, плотность заполнения трещин и пустот тампо-нажным камнем. За основу при численных расчетах взята модель нестационарной фильтрации тампонажного раствора в неоднородных средах, разработанная в Куз-ГТУ на основе линейной теории фильтрации. При этом процессе исследований особое внимание уделялось процессам тампонажа в местах сопряжения вертикальной и горизонтальной выработок.
В настоящее время нами разработана теоретическая модель течения стабильного вязкопластичного тампонажного раствора в трещинах большого раскрытия с использованием теории фильтрации с предельным градиентом.
Отдельные результаты расчетов показывают, что даже в крутопадающих трещинах можно управлять процессом распространения тампонажного раствора от скважин, добиваясь его равномерного распространения.
При оценке величины водопритока через массив горных пород вокруг водоупорной перемычки в основу математической фильтрационной модели положены ранее разработанные в КузГТУ фильтрационные модели перетока воды через перемычку, установленную в протяженной горизонтальной выработке, и притока воды в выработку через тампонажно-дренажную завесу.
Рис. 1. Принципиальная технологическая схема изоляции выработок горизонта от затопления: 1 -
вертикальный ствол; 2 - перемычка в сопряжении вертикального ствола с горизонтом; 3 - противофильтра-ционная тампонажная завеса вокруг тела перемычки; 4 - изолируемый горизонт; 5 - отстойник; 6 - став труб водоотлива на поверхность; 7 -противофильтрационная тампонажная завеса вокруг ствола; 8 - погружной насос; 9 - водоспускные скважины; 10 - водоспускная труба; 11 - водосборник; 12 - нарушенный предохранительный целик
В соответствии с предложенной технологической схемой изоляции выработки от затопления предложена комбинированная расчетная фильтрационная модель, позволяющая оценить приток воды в ствол через массив вокруг перемычки и по длине ствола. Численное решение поставленной задачи сведено к суперпозиции решений двух вышеотмеченных задач. В отличие от ранее рассмотренной задачи учтено переменное сечение перемычки по длине выработки.
Выполнены расчеты зависимости величины перетока воды вокруг перемычки до и после тампонажа от коэффициента проницаемости естественного массива вблизи контура выработки, от коэффициента проницаемости закрепной тампонаж-ной оболочки и непосредственно крепи, от
коэффициента проницаемости тампонаж-ной завесы, от толщины тампонажной завесы.
Выполнены расчеты зависимости величины водопритока по длине ствола до и после тампонажа без наличия и при наличии дренажного слоя. При этом установлено влияние коэффициента проницаемости естественного массива вблизи контура выработки, коэффициента проницаемости дренажного слоя, коэффициента проницаемости и толщины тампонажной завесы.
Отдельно дана оценка величины водопритока непосредственно через дренажные скважины в тампонажной завесе.
Анализ результатов численного счета показывает, что на величину перетока воды через массив вокруг перемычки наличие тампонажной завесы не оказывает су-
щественного влияния вследствие клино-видности перемычки и возможности перетока воды через нарушенный в сопряжении массив за пределами зоны тампонажа. Проницаемость закрепной оболочки (крепи) вокруг перемычки не влияет на величину перетока. Уменьшение влияния толщины тампонажной завесы наблюдается с расстояния 7 м от поверхности перемычки.
Технология возведения водоупорных перемычек с инъекционной подготовкой массива горных пород в условиях сопряжений вертикальных стволов разработана с учетом результатов моделирования течения раствора и воды, полученных при решении вышерассмотренной задачи.
Технологическая схема разработана для широкого круга горнотехнических и горно-геологических условий сооружения вертикальных стволов угольных шахт. Численные значения параметров технологии и конкретизация отдельных моментов получены для условий сопряжений осевого вентиляционного ствола шахты «Байда-евская» с гор.-100,0 м (пласт 30) и гор.-183,95 (пласт 29а).
Возведение водоупорной перемычки осуществляется в три этапа. На первом этапе производится инъекционная подготовка массива горных пород, производится установка анкеров и армирование тела перемычки. Армирование тела перемычки осуществляется продольной арматурой. В первом и последних рядах железобетонных анкеров и по длине перемычки устанавливается металлическая сетка. На З-м этапе непосредственно возведение перемычки осуществляется четырьмя заходка-ми.
При обосновании и разработке технологии дренирования подземных вод в вертикальный ствол через водоспускные скважины разработаны рекомендации по бурению и оборудованию скважин, цементации их стволов. Выполнен расчет параметров дренажа подземных вод через водоспускные скважины и тампонажную завесу как по длине ствола, так и вокруг
водоупорных перемычек. Разработаны схемы водоотлива в главный водосборник и непосредственно на очистные сооружения на поверхности. Выполнен расчет производительности насосов. Все рекомендации по технологии цементирования пород вокруг скважины и дренированию подземных вод осуществляются на основе результатов моделирования течения там-понажных растворов и фильтрации воды, полученных при решении предыдущих задач.
Конструкция водоспускной скважины включает в себя ствол скважины с установленной в нем трубой-кондук-тором и закрепляющими ее металлическими анкерами, тройник, задвижку, запорные вентили, манометр, отводящие и подводящие напорные шланги.
Глубина заделки трубы-кондуктора, рассчитанная по условию среза цементного камня между трубой и породой, составляет 2,67 м. Диаметр анкерного болта для крепления трубы-кондуктора - 20 мм. Нагрузка на буровой станок при внезапном прорыве подземных вод при диаметре скважины 76 мм составляет 6450 Н, отсюда следует целесообразность бурения станком СБГ-1м, усилие подачи которого составляет 645 кН.
Усредненная интенсивность искривления водоспускных скважин в борт выработки составляет 0,15 град/м; в почву - 0,1 град/м. Для уменьшения искривления скважин следует по возможности бурить перпендикулярно наслаиванию пород, с небольшими осевыми нагрузками на буровой станок.
Для предотвращения вероятного гидроудара на буровой станок в момент выбуривания в затопленную выработку целесообразно использовать разработанное запорное устройство (превентор), состоящий из кондукторной трубы, задвижки, переходника и шарового крана.
В отличие от обычного тампонажа после окончания нагнетания производят бурение по несхватившемуся тампонажному раствору.
Максимальные дебиты водоспускных скважин составляют от 170 до 296 м /ч, а средняя их пропускная способность изменяется от 88 до 145 м3/ч. Время спуска воды из затопленных выработок составляет 19,7 суток. Максимальный дебит составляет 1536 м /ч, а суммарная средняя пропускная способность всех скважин - 770 м /ч.
Для условий шахты «Байдаевская» откачку воды с гор.-300,0 м в главный водосборник гор.+ 110,0 м следует осуществлять центробежными насосами ЦНС 300x480, а на очистные сооружения - насосами ЦНС 180x900. Время перепуска воды в период нормального водопритока составляет 30,3 сут, а в период максимального водопритока - 32,4 сут.
Сравнение результатов расчета максимальных дебитов водоспускных скважин с данными натурных замеров позволяет сделать вывод о том, что предложенные водоспускные скважины вполне обеспечивают требуемый режим дренирования подземных вод.
Таким образом, результаты выполненных исследований показывают, что тампонаж горных пород весьма эффективное средство при создании противофильтра-ционных завес вокруг водоупорных перемычек при ликвидации и консервации угольных шахт. Вышеприведенные схемы реализованы на шахте "Байдаевская". Результаты выполненных исследований позволили сделать следующие выводы.
Часто неперспективные и нерентабельные шахты, часть из которых работает на одних пластах с действующими, и их шахтные поля находятся в непосредственной близости друг от друга, подрабатывают одна другую. Их консервация и закрытие связаны с подтоплением и возможностью прорыва воды в действующие шахты. При этом регулируемое дренирование подземных вод в вертикальную выработку требует возведения водоупорных перемычек в сопряжениях ствола с горизонтами. При этом существующие рекомендации и технология возведения водоупорных пе-
ремычек с тампонажем массива горных пород в протяжённых выработках не могут быть здесь использованы по причине выхода перемычки в ствол и её неудобной «обратной» клиновидности.
На участках сопряжения стволов в пределах изменения раскрытия трещин от 0,0005 до 0,005 м качественный тампонаж растворами на основе цемента обеспечивается на первой стадии нагнетания при постоянном расходе и переменном (увеличивающемся) давлении на нагнетательной скважине. При этом время нагнетания для обеспечения требуемого радиуса цементации уменьшается с 25 до 3 мин, а максимальное давление на скважине - с 2,4 до 0,6 МПа.
Наличие тампонажного слоя вокруг вертикальной выработки оказывает значительное влияние на величину водопритока в ствол. Величина водопритока уменьшается минимум в восемь раз, а при коэффициенте проницаемости завесы кт << 0,01-10-12 м2 стремится к нулю. Наиболее сильное влияние толщины зоны тампонажа наблюдается при её увеличении до 1,52,0 м. Дренажный слой без дренажных шпуров не оказывает значительного влияния на величину водопритока в ствол.
Величина водоперетока через массив вокруг перемычки на два порядка меньше величины притока воды в ствол по его длине за счёт клиновидности перемычки и её непосредственного выхода в ствол. При переходе границ тампонажного слоя с увеличением длины шпуров в дренажном слое происходит увеличение водопритока в пять раз.
В отличие от перемычек в протяжённых горизонтальных выработках в рассматриваемых сопряжениях нет острой необходимости тампонирования массива вокруг перемычки с целью уменьшения или исключения водоперетока. Большую актуальность здесь приобретает инъекционная подготовка как средство укрепления массива. Особое значение имеет также установка анкеров, повышающих устойчивость перемычки противодавлению на-
порных подземных вод в связи с «обратной» клиновидностью перемычки в сопряжении с вертикальной выработкой.
Принципиальная технологическая схема инъекционной подготовки массива горных пород на участке сопряжения вертикального ствола с горизонтом включает в себя возведение противофильтрацион-ной тампонажной завесы вокруг ствола и клиновидной перемычки, инъекционное упрочнение тела перемычки в процессе её возведения, инъекционное укрепление кондукторов и анкеров для повышения устойчивости при действии напорных вод со стороны горизонтальной выработки, устройство дренажного слоя и дренажных скважин на участке тампонажа вокруг ствола для уменьшения напора подземных вод на тампонажную завесу и крепь выработки.
Учитывая клиновидность перемычки в сопряжении и направление давления подземных вод, её сцепление с массивом горных пород осуществляется с помощью железобетонных анкеров с запуском в массив более 1,5 м и в тело перемычки не менее 0,6 м, которые соединяются с продольным металлическим арматурным каркасом. Шаг установки железобетонных анкеров - 0,5 м. В сечении первого и последнего рядов анкеров перпендикулярно оси перемычки устанавливают металлические сетки.
Возведение водоупорной перемычки осуществляют четырьмя заходками. На первой заходке устанавливают железобетонные анкеры, продольную арматуру, поперечную сетку и бетонную подушку в подошве выработки. На второй заходке укладывают бетон до половины
высоты выработки. На третьей заходке заполняют бетоном половину оставшегося
сечения выработки. На четвёртой заходке навешивают сетку со стороны ствола и бетонируют оставшуюся часть выработки. На всех заходках производят инъекцию цементным молоком контакта тела перемычки с массивом горных пород и крепью, а также границ частей перемычки между заходками.
Регулируемый перепуск воды в ствол с дебитом до 1536 м3/ч обеспечивается семью водоспускными скважинами, оборудованными кондукторными трубами и запорной арматурой, закреплёнными металлическими анкерами. При этом глубина заделки трубы - кондуктора, рассчитанная по условию среза цементного камня между трубой и породой, составляет 2,2 - 3,0 м. Диаметр анкерного болта для крепления трубы - кондуктора - 20 мм. Нагрузка на буровой станок при внезапном прорыве подземных вод при диаметре скважины 76 мм может достигнуть 6450 Н. Отсюда следует целесообразность бурения станком СБГ-1м, усилие подачи которого составляет 645 кН.
Рекомендации по выбору параметров инъекционной подготовки массива горных пород и технология изоляции от затопления выработок, основанная на возведении водоупорных перемычек в сопряжениях вертикального ствола и перепуска воды через водоспускные скважины, реализованы в трёх отраслевых нормативных документах и проектах института «Куз-ниишахтострой» на ш. «Байдаевская». Экономический эффект за счёт исключения необходимости возведения дополнительного водосборника и уменьшения стоимости водоотлива составляет (в ценах 2002 г.) 59,1 млн руб.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------
Хямяляйнен В.А., Иванов В.В., Гурский Е.В., Долганова Я.С., Беляков Е.А. - Кузбасский государственный технический университет.
