CC BY
62
УДК 622.236.732
Е.В. Белякова, канд. техн. наук, (4872) 33-31-55, каао!оут@тЬох. ги (Россия, Тула, ТулГУ),
К.А. Головин, д-р техн. наук, (4872) 33-31-55, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
А.В. Лежебоков, канд. техн. наук, (4872) 33-31-55, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
А.П. Назаров, асп., (4872) 33-31-55, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
А.Е. Пушкарев, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-31-55, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ ВЕДЕНИЯ РАБОТ В НЕУСТОЙЧИВЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ
Рассмотрены специальные способы ведения работ в сложных горнотехнологических условиях, а так же с указанием преимущества использования метода гидростуйной цементации.
Ключевые слова: кессонный способ, шлюзование, сжатый воздух, гидроструйная цементация.
В настоящее время при проходке и поддержании подземных выработок, строительстве подземных сооружений, ведении открытых горных работ и т. д. в неустойчивых горных породах используются известные способы, позволяющие повысить прочность и устойчивость горных пород, а также частично или полностью устранить приток воды. К таким способам относятся: искусственное замораживание горных пород, закрепление их связывающими растворами, химическое и электрохимическое закрепление горных пород, водопонижение, а также специальные способы проходки горных выработок, например, кессонный[1-5].
При реализации кессонного способа проведения выработок - работы проводятся в огражденном замкнутом пространстве, называемой рабочей зоной, где выполняются проходческие работы или другие работы по возведению подземного сооружения, нагнетают сжатый воздух, который отжимает воду из массива горной породы, что позволяет разрабатывать породу и устанавливать временное и постоянное крепление в практически сухом забое. При этом давление сжатого воздуха в нижней части рабочей зоны для полного отжатия воды должно быть равно или несколько меньше гидростатического напора воды.
Применение сжатого воздуха преследует две цели: отжатия воды из зоны проходки и осушения забоя при ведении проходческих работ в неустойчивых плывунных породах или породах с большим водопритоком;
для создания дополнительного давления на забой (если такое дав-
354
ление может заменить временную крепь) при проходке в связных породах, подстилающих дно водоема или слой водонасыщенных пород с гидростатическим напором (для предотвращения их деформации и поступления воды в выработку).
Кессонная проходка имеет ряд особенностей.
При подходе забоя выработки к участку водоносных горных пород (рис. 1.) в пройденной части тоннеля, имеющей постоянную обделку, сооружают воздухонепроницаемую (герметичную) шлюзовую перегородку. Эта перегородка отделяет пройденную и закрепленную часть горной выработки от находящейся впереди рабочей зоны, в которой создают повышенное давление воздуха. Конструкция шлюзовой перегородки должна быть рассчитана на давление сжатого воздуха, в 1,5 раза превышающее давление воздуха в рабочей зоне.
Через воздухонепроницаемую перегородку пропускают коммуникации, для подачи в рабочую зону сжатого воздуха электроэнергии, воды и ДР-
Рис. 1. Схема проходки горной выработки с применением сжатого
воздуха в горизонтальном направлении: 1 — проходческий щит; 2 — рабочая зона; 3 — тюбингоукладчик; 4 — предохранительный экран; 5 — аварийный помост; 6 — шлюзовая перегородка; 7 — шлюзовые аппараты; 8 — зона нормального атмосферного давления; 9 — трубопроводы сжатого воздуха;
10 — горный комплекс для проходки тоннелей;
11 — бытовые помещения; 12 — компрессорная
Для прохода людей из пройденной и закрепленной части горной выработки, т. е. из зоны с нормальным атмосферным давлением в рабочую зону и обратно, а также для транспортирования материалов и грунта в шлюзовой перегородке устраивают специальные камеры - шлюзовые аппараты.
Основными операциями при проходке горных выработок под сжатым воздухом в пределах рабочей зоны являются разработка и погрузка породы в забое, установка временного крепления, возведение постоянной обделки и ее гидроизоляция, шлюзование и вышлюзование[6].
Наиболее ответственным участком работ является забой, где под влиянием сжатого воздуха происходит частичное изменение свойств горной породы (изменяется ее влажность, нарушается устойчивость, изменяется режим грунтовых вод). Нарушение установленного режима подачи сжатого воздуха в забой или резкое изменение инженерно-геологических условий сказывается на состоянии работ и темпах проходки выработки.
Давление сжатого воздуха в рабочей зоне на уровне подошвы выработки должно быть равным гидростатическому, а при отсутствии притока воды в лоток забоя оно может быть понижено до величины, равной гидростатическому давлению на уровне 1/3 диаметра от подошвы выработки.
Применение сжатого воздуха в проходческих работах ограничивается следующими условиями: максимально допустимым давлением воздуха, при котором могут работать люди без вреда для здоровья, степенью воздухонепроницаемости породы, окружающей выработку, минимальной толщиной слоя породы над выработкой, исключающей возможность прорыва сжатого воздуха на поверхность.
Максимальное давление воздуха в рабочей зоне, при котором можно вести проходческие работы, в соответствии с действующими Правилами безопасности при производстве работ под сжатым воздухом (кессонные работы) составляет 0,39 МПа.
Проходку выработок ведут, как правило, щитовым способом. При проходке горной выработки обычным щитом однородная порода в забое разрабатывают ярусами последовательно сверху вниз, начиная с верхнего яруса, одновременно во всех ячейках одного яруса.
В неустойчивых песчаных породах, залегающих в верхней части забоя, породу разрабатывают в пределах аванбека щита с передвижкой ее на часть цикла (0,3 - 0,4 м), закрепление забоя ведут одновременно с выемкой породы.
При оборудовании щита специальными устройствами, разделяющими забой на ярусы, в целях ускорения работ допускается одновременная разработка породы в нескольких ярусах, однако без опережения заходок в нижних ярусах.
В процессе проходки до снятия повышенного давления выполняют весь комплекс работ по созданию надежной гидроизоляции обделки выработки.
При проведении работ обязательно использование устройств для обеспечения безопасности. К таким устройствам относятся аварийный шлюз, предохранительные (аварийные) перемычки, предохранительный экран, аварийный помост (см. рис. 2).
В связи с повышенным содержанием кислорода в воздухе рабочей зоны возможно активное возгорание предметов, находящихся в тоннеле. Поэтому рабочая зона должна быть оборудована устройствами, необходимыми для предупреждения и тушения пожаров. Для этой цели прокладывают специальный пожарный водопровод со стояками для разбора воды, увеличивают число пожарных постов с огнетушителями, которые могут работать при повышенном давлении.
Рис. 2. Схема расположения предохранительных устройств
при проходке горных выработок под сжатым воздухом: 1 — щит; 2 — блокоукладчик; 3 — предохранительный экран; 4 — предохранительный помост; 5 — лестница; 6 — подвески крепления помоста к тюбингам; 7 — шлюзовая перегородка; 8 — герметическая дверь; 9 — ребра жесткости экрана
В соответствии с требованиями Правил безопасности при производстве работ под сжатым воздухом (кессонные работы) за состоянием здоровья работающих под сжатым воздухом на проходческих работах органами Министерства здравоохранения установлен специальный медицинский надзор. Для обеспечения соблюдения этих требований организуют кессонный здравпункт или амбулаторию, оборудованные специальными рекомпрессионными камерами. Весь персонал, работающий в кессоне, периодически проходят специальную медицинскую комиссию.
Другим специальным способом ведения работ в неустойчивых горных породах является термическое упрочнение.
Сущность термическое упрочнения состоит в том, что в массив горной породы в течение нескольких суток подаётся раскалённый воздух или газ. Отдельные минералы оплавляются, образуется прочная структура. При этом теряется часть химически связанной воды, уменьшается или ликвидируется просадочность. Температура массива обычно не превышает 800 °С. В результате обжига вокруг скважины образуется конусообразный столб диаметром по верху до 2 м, а внизу - 0,7...0,8 м. Возможна и другая технология обжига, когда горелка погружается в пробуренную скважину и
постепенно передвигается вдоль неё. В этом случае в результате обжига получаются обожжённые породные столбы. Топливом для горелки является солярка или газ[7-10].
У горных пород, подвергнутых термическому воздействию, полностью ликвидируются просадочные свойства, размокаемость и набухае-мость, вызванные увлажнением грунтов; во много раз повышается сцепление и сопротивляемость сдвигу и сжатию, прекращаются немедленно процессы осадок.
В сложных гидрогеологических условиях возможно использование совмещение специальных способов работ в определенной последовательности или параллельно.
Примером такого совмещения двух методов является проходка выработок с применением сжатого воздуха и одновременное водопонижение. В этом случае применение водопонижения позволяет уменьшить гидростатический напор, что дает возможность вести проходку выработки кессонным способом при более низком избыточном давлении в рабочей зоне.
Совмещенное применение замораживания и водопонижения позволяет осушить массив горной породы, огражденный замкнутой водонепроницаемой ледопородной стеной.
К общим недостаткам описанных способов ведения проходческих работ следует отнести значительные материальные затраты и повышенные требования к обслуживающему персоналу, вызванные сложностью обслуживаемого оборудования и опасными условиями работы.
На наш взгляд, современной альтернативой ведения работ в сложных горно-технологичесеких условиях являются технологии, основанные на использовании закрепления неустойчивых горных пород методом гидроструйной цементации[11].
К преимуществам предлагаемой технологии, можно отнести следующие:
высокая скорость выполнения работ по закреплению массива; принципиальная возможность размещения оборудования в стесненных условиях горных выработок (в этом случае необходимо использовать специализированную малогабаритную буровую установку, а весь инъекционный комплекс может располагаться на некотором удалении, например в капитальной горной выработке);
возможность закрепления любого исходного массива неустойчивой горной породы (от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов), как по показателям прочности, так и обводненности;
отсутствие значительных динамических нагрузок на закрепляемый массив (что особенно важно при работе на небольших глубинах под зданиями и сооружениями, вблизи других горных выработок);
чрезвычайно высокая предсказуемость результатов укрепления горных пород (что позволяет уже на этапе проектирования достаточно
точно рассчитать геометрические и прочностные характеристики создаваемой подземной конструкции, и соответственно - трудозатраты.
Список литературы
1 Головин К.А. Состав комплекта оборудования для реализации технологии водоледяного разрушения горных пород / К.А. Головин, Г.В. Григорьев, Е.Н. Григорьева, Ю.Н. Наумов, А.Е. Пушкарев // Ежегодная научно-практическая конференция «Неделя горняка», Московский горный университет, М., 2003 г., С. 110-114.
2 Барон Л.И., Глатман Л.Б. Контактная прочность горных пород. -М., Недра, 1966 г., 228 с.
3 Койфман М.И. Скоростной комплексный метод определения механических свойств горных пород. - В кн.: Механические свойства горных пород. - М., 1963 г., с. 73 - 84.
4 Барон Л.И. Горно-технологическое породоведение. - М., Наука, 1977г., 323 с.
5 Барон Л. И., Коняшин Ю.Г. Об эффективности комбинированных методов механического разрушения горных пород проходческими комбай-нами//Научн. сообщ./ИГД им. А.А. Скочинского. - М., 1975 г., вып. 96., С. 24-28.
6 Барон Л. И. Влияние высоты образцов крепких горных пород на их временное сопротивление раздавливанию. «Заводская лаборатория», 1956 г., № 11.
7 Барон Л. И. О показателях прочности горных пород, «Известия АН СССР. ОТН», 1984 г., № 11.
8 Барон Л. И. Определение крепости горных пород. «Тр. ВНИИ-1МЦМ СССР», вып. 8. Магадан, 1956 г.
9 Барон Л. И. Приближенное определение механической прочности горных пород. Сб. «Рудничная аэрология и безопасность труда в шахтах» ( к 75-летию академика А. А. Скочинского), Углетехиздат, 1949 г., 350 с.
10 Основы гидрогеологии и инженерной геологии. Седенко М.В. М., «Недра», 1970 г., 176 с.: ил.
11 В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, М.М. Щеголевский. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидромеханическое разрушение горных порол. М.: Издательство Академии горных наук. 2000. 343 с.
E. V. Belyakova, K.A. Golovin, A. V. Lezhebokov, A.P. Nazarov, A.E.Pushkarev
SPECIAL METHODS MAIN IN NO-CONSISTING ROCK
Consider the advantages of using the water-cement jet technology for fixing unstable rocks in mining.
Key words: kasson methods, air end high presser water-cement jet technology.
Получено 20.11.12
