CC BY
130
УДК 622.1 H.A. Милетенко
К ВОПРОСУ О ПРОРЫВАХ ВОДЫ В ПОДЗЕМНЫЕ ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ*
Семинар № 2
Вопросы зашиты горных выработок от затоплений по-прежнему остаются актуальными при обеспечении безопасности освоения месторождений. Пример тому прорыв воды в скиповом стволе на глубине 200 м от поверхности на шахте Западная-Капитальная 23 октября 2003 г. (рис. 1), в результате которого 46 горняков оказались заблокированными под землей (двоих из них не удалось спасти), авария в провинции Шанси в Китае 1 мая 2006 г, когда в результате прорыва грунтовых вод произошло затопление угольного забоя и 57 человек оказались также заблокированными в горной выработке, затопление 17 октября 2006 г. двух насосных станций на одном из участков шахты рудника ОАО «Уралкалий» в Пермском крае в Березниках.
Причиной затопления явились поверхностные и подземные воды, про-никаюшие в горные выработки по системе трешин в массиве горных пород вследствие образования гидравлической связи с водным объектом. К числу подземных вод следует отнести скопление воды в вышерасположен-ных выработках в пределах разрабатываемого пласта при проведении подготовительных выработок и при добыче угля в очистных забоях; боль-
шие объемы воды в погашенных выработках действуюших предприятий и затопленных шахтах в районе влияния на рабочие горизонты действуюших шахт; обводненные пластичные породы; наличие воды в разведочных, технических и других не затампониро-ванных или неудовлетворительно за-тампонированных скважинах, вскрываемых очистными и подготовительными выработками.
Прорывы воды из вышерасполо-женных выработок происходят чаше всего в результате: пренебрежения скопившимися объемами воды в выработанном пространстве; разрушения целиков угля под воздействием геомеханических процессов; отсутствия в маркшейдерской документации полной и достоверной информации о прочих выработках выше отработанных подэтажей (горизонтов). Следует подчеркнуть, что опасна не только подработка, но и надработка погашенных выработок вследствие возможного вспучивания подошвы дей-ствуюшей выработки и образования гидравлической связи с нижележашей затопленной выработкой.
Примером разработки мероприятий от прорыва воды при вскрытии очистными и подготовительными выработками различного вида скважин стал случай подработки лавой 26-32
*Работа выполнена при поддержке Фонда содействия отечественной науке и гранта РФФИ №05-05-65008
ОАО «Шахты «Абашевская» скважины № 1066, проходяшей через затопленный контур пласта 29а шахты «Новокузнецкая». Учитывая, что пласт и вме-шаюшие породы вблизи скважины могут быть обводнены и иметь пониженную устойчивость за счет размокания, а значит, при вскрытии ствола скважины и при подходе к ней горных работ возможны куполения, внезапные обрушения боковых пород, повышенный отжим угля, интенсивные суфлярные выделения газов СН4, дополнительные поступления воды под большим давлением и другие негативные явления, с целью обеспечения безопасности ведения работ были разработаны следую-шие мероприятия.
Для откачки воды с пласта 26а в конвейерном штреке 26-36 в 110 м от устья был сооружен водосборник, ос-нашенный 4 насосами. Вода из водосборника подавалась в насосы, установленные на путевом уклоне 26-4 у конвейерного штрека 26-34. Эти насосы должны были обеспечивать откачку всего аварийного водопритока при дополнительном поступлении воды из скважины №1066.
При подходе очистной выработки к опасной зоне дальнейшая работа очистного забоя производилась с бурением опережаюших шпуров длиною 5 м. Ширина опасной зоны у скважины была принята равной 102 м. Для сдерживания потока воды в случае ее скопления для своевременного вывода людей из забоя и конвейерного штрека лавы 26-32 было предусмотрено сооружение водооградительного барьера на сопряжении разрезной печи с конвейерным штреком 26-32 из бетона высотою 0,5 м до подхода лавы к данному сопряжению и его нарашивание до 1,4 м после прохода лавы 26-32 через барьер.
При вскрытии скважины, в случае интенсивного поступления воды из нее
или выделения газа метана с превышением допустимых норм, электроэнергия в лаве должна была отключаться, а люди из забоя - выведены. Для отвода возможного притока воды из скважины до подхода лавы к опасной зоне и недопушения воды на ПТК подлавный конвейер поднимается на настил, состояший из шпал и рельс.
На конвейерном штреке 26-32 на расстоянии 5 м со стороны завальной части лавы от сопряжения с разрезной частью 26-32 и через 25 м в направлении обратном подвиганию
очистного были установлены три водооградительных завес из деревянных стоек. Завесы устанавливались последовательно после прохода лавы.
При определении возможного
притока воды через скважину необходимо сделать расчет величины перекрытия скважины за счет сдвига пород по направлению и при этом учесть величину их расслоения.
Среднюю мошность изгибаюшихся слоев можно определить по методике [3] или по формуле (1) [4].
Ь = 0,36-ЛИ-ЬшЛ , (1)
V Е ■ т
где ЛИ - расстояние изгибаюшегося слоя от вынимаемого пласта; ттах -сопротивление пород касательным
напряжением, возникаюшем при изгибе слоев; 1 - длина изгибаюшегося слоя; Е - модуль упругости пород; т - вынимаемая мошность пласта.
Величина сдвига слоев £ на контакте определяется из выражения (2), приведенного в работе [3].
^=Ь-12, (2)
где ^ - наклон слоев в точке пересечения со скважиной.
Предложенных мер оказалось достаточно для обеспечения безопасных условий отработки запасов лавы.
Наиболее опасные по затоплению для шахт - прорывы воды с поверхности. Выделяют три их разновидности: из водоемов вследствие подработки под ними целиков; через устья выработок и провалы из поверхностных водоемов, водотоков при наводнениях, ураганах и ливневых дождях (прорывы также происходят через трешины, устья старых погашенных выработок, имею-ших выход на дневную поверхность); из поверхностных водоемов в результате разрушения плотин, дамб, других гидросооружений.
Случаи прорывов воды из провалов занимают особое место, т.к. являются явлением прогнозируемым и согласно исследований [1] образование провалов зависит от соотношения Н/ >/Я , где Н - глубина выработки; Б - поперечное сечение выработки. Анализ показал, что при <8 провалы образу-
ются,
Н
Я
практически,
всегда,
разрыхления и последуюшего уплотнения пород во времени. В породах, представленных сочетанием наносов, сланцев и песчаников, коэффициент К
■. 2
= 1,05+0,1
80 80 +
; 1 - время, про-
при
—¡= >16 провалы образуются очень л/Я
редко, при 8<-Нт <16 вероятность обл/Я
разования провалов примерно равна 50%. Более поздними исследованиями [5] удалось установить, что немаловажную роль в образовании провалов играет время, прошедшее после разрушения крепи, и свойства массива горных пород, залегаюших над выработкой. В самом первом приближении зависимость вероятности образования провалов от указанных факторов можно представить выражением вида (3):
-Н = /п (3)
л/Я" (К -1) /к ’ и
где ¡п и ¡к - коэффициенты крепости пород почвы и кровли соответственно (по М.М. Протодьяконову); К - коэффициент, характеризуюший степень
шедшее после разрушения крепи выработки.
Следует также учитывать, что на возможность образования провала оказывают влияние совокупность свойств кровли и почвы, выраженные в формуле (3) через коэффициенты ¡пи ¡к,- Так, при слабых породах кровли и более крепких породах почвы выработки возможность образования провалов увеличивается (крепкие породы почвы не вспучиваются и не заполняют выработанное пространство, слабые породы кровли обрушаются); при более слабых породах почвы и более крепких породах кровли возможность образования провала на поверхности снижается (а при большой глубине провал вообше не будет иметь выхода на поверхность) за счет пучения слабых пород почвы, создаюших подпор выше-лежашим слоям, и поддерживаюших форму крепких пород кровли.
На основании представленной зависимости можно определить не только вероятность образования провала, но и период, когда можно ожидать его появления. Однако эта, как и всякая эмпирическая зависимость, справедлива для тех условий, в которых она получена. Для уточнения расширения области ее применения необходимы дополнительные исследования.
В качестве примера можно привести случай прорыва воды с поверхности через провал в горную выработку на шахте "Юнь-Яга" АО "Воркутауголь" (рисунок).
Мошность пласта составляла 1,9 м, угол падения 10°. Непосредственная кровля - алевролит мошностью 3 м и
Рис. 1. Схема ситуации на шахте "Юиь-Яга " (пласт п11): 1 - река; 2 - канава; 3 - провал;
4 - многолетний средний уровень паводка; 5 - талики; 6 - выход пласта и коренных пород под наносы; 7 - целик; 8 - уровень паводка на момент события; 9 - направление прорыва воды
прочностью 40-60 МПа; основная -песчаник (17 м, 70-90 МПа). В зоне выветривания породы ослаблены процессами окисления и "морозобойными" трещинами.
В результате поднятия уровня паводковых вод через провал, образованный на контакте коренных пород с наносами, произошел прорыв воды в погашенный вентиляционный штрек, лаву и конвейерный штрек. Перемычки и водоупорные двери не дали эффекта вследствие фильтрации воды через окружающий породный массив и бетонные перегородки, возведенные за 17 лет до события. Недостаточная мощность и подтопление насосных установок привели к затоплению.
Анализ ситуации на основании имеющихся данных показывает, что место прорыва паводковых вод через провал изначально необходимо было рассматривать, как зону повышенного риска. Так, по вышепредложенному соотношению при глубине выработки 9,1 м (2,2+40хэ1п100) и поперечном сечении выработки 11 м, -^= = =-91
■Д VII
= 2,7, обязательно появится провал. Этот факт также подтверждается проведенными раннее исследованиями [2]
об образовании провала при глубине ведения работ менее 30 м.
Причинами аварийной ситуации стали:
• Отсутствие профилактических мероприятий по засыпке провалов;
• Некачественное проведение работ по изоляции горных выработок от поверхности;
• Отсутствие гидротехнических сооружений, препятствующих разливу реки и попаданию воды в пределы шахтного поля на выходах пласта под наносы;
• Недостаточная пропускная способность моста через реку при паводке;
• Подъем паводковых вод на 0.5 м выше максимально ожидаемого уровня, разлив за границу охранного целика и прорыв ее через провал в недействующий вентиляционный штрек;
• Развитие морозобойных трещин в повышенно трещиноватых горных породах;
• Образование провала земной поверхности по контакту морозобой-ных трещин под влиянием паводковой воды;
• Неблагоприятное стечение природных факторов: ранние и сильные морозы; глубокое промерзание; малый
снежный покров; короткий и бурный весенний паводок.
Для предотвращения подобных аварий:
• Следует контролировать погашение подготовительных выработок, необходимость в которых отпала и которые расположены выше отметки безопасной глубины.
• Периодически проводить осмотр и измерения проседания поверхности, провалов, выходов (устьев) старых погашенных выработок, контролировать наличие воды в провалах, уровень воды в водоемах в пределах шахтного поля и в непосредственной близости от него.
• Особый контроль следует проводить в период паводков и разливов и с учетом рельефа поверхности.
• Обращать внимание на стечение природных обстоятельств, способствующих прорыву и в соответствии с этим принимать решения по: усилению изоляции, возведению дамб, усилению контроля за пропуском паводковых вод в пределах шахтного поля.
• В местах выходов выработок и провалов на поверхность усиливать контроль.
• При планировании противопаводковых мероприятий учитывать -
1. Иофис М. А. К вопросу о прогнозе и предотвращении последствий обрушения тоннелей. Тоннельная ассоциация России. 2006, 4 с.
2. Кошелев В.Н. Прогнозирование и предотвращение провалов над горными выработками при ликвидации шахт в Подмосковном угольном бассейне. Маркшейдерский вестник. - 2001. - №1-2. - С. 59-61
3. Земисев В.Н. Расчеты деформаций горного массива. - М.: Недра. - 1973.
— Коротко об авторах--------------------
Милетенко H.A. - ИПКОН РАН.
профиль и рельеф поверхности, деформации и разрушение массива в зоне сдвижения.
Исследование данного вопроса приводит к неутешительному выводу о том, что ведение горных работ продолжает сопровождаться прорывами воды на протяжении многих десятилетий (известен крупный прорыв воды в 1916 г. в Японии, унесший жизни около 500 человек, один из последних в 2006 г. - прорыв воды в Березниках, приведший к гибели рудника).
В заключение следует подчеркнуть, что условия добычи полезных ископаемых претерпели большие изменения, связанные, в том числе, с массовым закрытием угольных шахт. При этом, в отличие от ранее встречаемых небольших скоплений воды, в зоне ведения горных работ оказались скопления многомиллионных объемов. Все это требует создания новых нормативных документов, регламентирующих вопросы освоения месторождений в районе влияния на водные объекты в современных условиях, для подготовки которых необходимо провести предварительный анализ течения геомеханических процессов массива горных пород в сложившихся условиях.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Иофис М.А. Научные основы управления деформационными и дегазационными процессами при разработке полезных ископаемых. - М.: изд. ИПКОН РАН. -1984.
5. Янукович В.Ф., Азаров Н.Я., Алексеев А.Д., Анциферов А.В., Пигаленко Е.И. Решение геоэкологических и социальных проблем при эксплуатации и закрытии угольных шахт. Донецк. ООО «Алан», 2002. - 480 с. ШИЗ
