Рис. 5.26. Схема тампонирования с поверхности:
/ —тампонажные скважины; 2 — затаыпонированный массив; 3 —выработка
Рис. 5.27. Расположение тампонажных скважин при проведении горизон тальных выработок
ростями. Но при этой схеме необходимо выполнять значитель ный объем буровых работ, зачастую тампонировать «лишний» объем горных пород, что приводит к перерасходу тампонажных материалов и удорожанию строительства.
При схеме тампонирования пород из забоя выработки объ ем буровых работ сокращается, уменьшается и расход тампо нажных материалов, но при этом резко сокращается скорость строительства выработки из-за того, что работы по тампонажу и проходке чередуются. Кроме того, затрачивают значительное время на устройство тампонажных перемычек. В связи с этим выбор той или иной технологической схемы тампонирования горных пород должен базироваться на основании технико-эко номических сравнений вариантов с учетом гидрогеологических условий строительства, физико-механических свойств породы, глубины заложения выработки, принятого типа бурильных ма шин и тампонажного материала.
5.4.2. Производство тампонажных работ
При проведении протяженных горизонтальных и наклонных выработок производство работ по тампонированию пород (грун та) с поверхности в принципе ничем не отличается от техноло гии, описанной в подразделе 5.3.3.
При тампонировании из забоя выработки работы выполняют в следующей последовательности: возведение тампонажной перемычки; гидравлическое испытание кондукторов; бурение тампонажных скважин; оборудование тампонажных скважин запорной арматурой; расходометрические исследования в сква жинах; нагнетание раствора; демонтаж запорной арматуры и разборка перемычки.
В случае, когда тампонирование ведут под защитой пород ного целика, работы выполняют в такой последовательности: бурение скважин под кондукторы; установка кондукторов и монтаж запорной арматуры; гидравлическое испытание кондук торов. После этого бурят скважины. Дальнейшие состав и оче редность работ такие же, как и при использовании перемычек.
Тампонажные перемычки при,строительстве горизонтальных или наклонных выработок устраивают плоскими, цилиндриче скими или сферическими. Плоские перемычки имеют форму че тырехгранной усеченной пирамиды в выработках прямоуголь ного поперечного сечения или усеченного конуса — в выработ ках круглой формы. В зависимости от расчетной тол'щины пе ремычка может иметь одну или несколько ступеней.
Перемычки возводят из кирпича, камня, бетона или железо бетона. Наиболее широкое применение получили перемычки из монолитного бетона. Железобетонные перемычки применяют в редких случаях. Это объясняется трудностью их разрушения при проведении выработки.
Расчет толщины тампонажных перемычек L (м) в горизон тальных выработках из условий прочности осуществляют по формуле В. А. Алексеева
2&tga
где Х =1,1— 1,2 — коэффициент \1ерегрузки; П — периметр гори зонтальной выработки в проходке, м; А =3,4—3,7 — коэффи циент, учитывающий форму вруба; S — площадь, воспринимаю щая давление нагнетания тампонажного раствора, м2; Р — мак симальное давление нагнетания тампонажного раствора, МПа; а = 1 3 —19° — угол наклона боковых граней перемычки; Re — расчетное сопротивление бетона сжатию в раннем возрасте, МН/м2.
RQ= 0
где k2— коэффициент однородности бетона, принимаемый для бетонов марки менее 200 — 0,55, более 200 — 0,6; щ — коэффи циент относительной прочности бетона в раннем возрасте, зна чение которого можно определить из графиков, приведенных на рис. 5.22; R2s— призменная прочность бетона в 28-суточном возрасте, МПа.
В случае, когда расчетная толщина тампонажной перемычки окажется больше. 5 м, принимают ступенчатую конструкцию пе ремычки. При этом число ступеней перемычки
N = L/( 2 ч- 3).
Толщину тампонажной перемычки, полученную из условия прочности на сжатие, проверяют на восприятие его срезываю щих усилий из условия
L' = PS/xp,
где Тр— расчетная прочность бетона на срез в раннем возрасте, МПа:
Тр = 0,QîlfjfoçP28,
где Т2 8 — прочность бетона на срез в 28-суточном возрасте, МПа.
Проектную толщину бетонной перемычки принимают боль ше величин 1 и U.
В, случае, когда в качестве тампонажной перемычки исполь зуют породный целик, его толщину можно определить по фор муле
1ц— PSX/ (тсЯ),
где тс — допускаемое напряжение пород на срез, МПа; S — пло щадь сечения выработки в проходке, м2.
Технология возведения тампонажных перемычек зависит от притока воды в выработку. При отсутствии притока воды там понажные перемычки возводят в следующей последовательно сти. В начале вынимают породу на расчетную толщину тампо
нажной |
перемычки (рис. |
5.28,а). После этого в стенах, кровле |
|
и почве |
разделывают |
и крепят вруб |
проектных размеров |
(рис. 5.28,6). В случае, когда перемычка |
многоступенчатая, по |
||
сле разделки вруба первой ступени приступают к выемке и креплению пород второй ступени (рис. 5.28, в) и т. д.
После разделки и крепления всех врубов, предусмотренных проектом, возводят деревянную опалубку, устанавливают кон дукторы (рис. 5.28, г) и укладывают бетон с помощью бетоно укладчиков за опалубку (рис. 5.28, д). Опалубку наращивают по мере укладки бетона. Спустя 3 сут после укладки бетона в перемычку с целью заполнения возможных трещин или пустот
Раствор отнасоса
Рис. 5.28. Очередность возведения тампонажной подушки
в бетоне через кондукторы нагнетают тампонажный раствор (рис. 5.28, е).
При притоке воды, в выработки работы по возведению пе ремычки организуют таким образом, чтобы не было доступа воды к месту производства работ. Для этого выработку прово дят несколько дальше места возведения перемычки для устрой ства водосборника с перегородкой 1 высотой до 1 м (рис. 5.29).
Из водосборника вода отводится по трубе 2 за пределы пе ремычки. Выпуск воздуха происходит по трубе 3, уложенной в наиболее высоком месте перемычки. После этого возводят две кирпичные перемычки толщиной 0,8— 1 м; вначале заднюю 6, затем переднюю 4. При возведении задней перемычки в ней устанавливают направляющие трубы для тампонажных сква жин. Расстояние между кирпичными перемычками определяет ся расчетной толщиной тампонажной перемычки.
в
Ыж(МттШ7 ^ у / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / А
Рис. 5.29. Возведение тампонажной перемычки в водоносных породах
Для придания кирпичным перемычкам большей несущей способности их врезают в окружающие горные породы, для че го по контуру выработки разделывают вруб. Пространство меж ду .кирпичными стенами заполняют щебнем или гравием 5 с последующим нагнетанием тампонажного раствора. После на бора перемычкой необходимой прочности водоспускную трубу 2 перекрывают и проверяют герметичность тампонажной пере мычки.
В выработках с большой площадью поперечного сечения пе ремычки усиливают металлической арматурой.
При оставлении в качестве тампонажной перемычки затампонированного породного целика кондукторы закрепляют в спе циально пробуренных скважинах с помощью быстротвердеющего портландцемента или расширяющегося цемента.
После возведения перемычки приступают к бурению тампо нажных скважин. В горных породах с напорными водами там понажные скважины бурят через кондукторы с запорной арма турой. При бурении станком НКР-ЮОМ через каждый 1,2 м углубления скважины наращивают буровые штанги. После вы буривания скважины на проектную глубину определяют ее удельное водопоглощение или проводят расходометрические исследования, на основании которых назначают составы и кон систенцию тампонажных растворов, устанавливают режимы тампонирования и приступают к нагнетанию раствора.
Нагнетание тампонажного раствора в массив горных пород осуществляют по нескольким технологическим схемам. При применении цементных растворов возможны две технологиче ские схемы: 1) оборудование для приготовления раствора и на гнетания его в породы располагают в выработке у забоя и 2) оборудование размещено на поверхности земли. Выбор тех нологической схемы нагнетания зависит от глубины заложения выработки, объемов тампонажных работ и в каждом конкрет
ном случае выбирается на основании технико-экономического сравнения возможных вариантов.
Нагнетание тампонажного раствора в скважину начинают сразу же после определения удельного водопоглощения или расходометрических исследований зажимным способом непре рывно в течение всего времени, пока скважина принимает рас твор при давлении не выше*расчетного. В случае, когда давле ние нагнетания продолжительное время не растет при постоян ном расходе, что бывает при пересечении крупных трещин или полостей, раствор сгущают. Если поглощение раствора не сни жается и после этого, то нагнетание раствора на время пре кращают, т. е. тампонирование осуществляют с перерывами. Продолжительность перерыва принимают равной времени твер дения тампонажного раствора. К разборке перемычки присту пают не ранее, чем через 24 ч, после окончания нагнетания раствора в последнюю из скважин. Для улучшения организа ции труда, увеличения скорости строительства горных вырабо ток с применением тампонажа ЦНИИподземмаш и ВНИИОМШС разработали ряд комплексов оборудования.
На рис. 5.30 показан комплекс оборудования для химиче ского укрепления горных пород в подготовительных выработ ках, который может использоваться для тампонажа слабоус тойчивых сыпучих и тонкотрещиноватых пород. Комплекс со стоит из установки для внедрения и извлечения инъекторов 1, оборудования для приготовления 4, 7, 8 и нагнетания раствора 3, 6 с контрольно-измерительными приборами, инъекторов 7 запорной арматуры, трубопроводов, герметизирующих уст ройств и высоконапорных шлангов. Внедрение и извлечение инъекторов осуществляется при помощи гидроцилиндра 2 с по лым штоком и специальным захватом, который устанавливают на телескопической раме. На этой же раме монтируют меха низм для бурения инъекционных скважин, состоящий из пер-
Рис. 5.30. Комплекс оборудования для химического закрепления пород
310
форатора, направляющих салазок, устройства для наклона и подачи перфоратора на забой. Оборудование для приготовле ния и нагнетания раствора монтируют на передвижных плат формах шахтных вагонеток 5.
Анализ данных практики показывает, что на возведение тампонагКной подушки затрачивают. 4—8 сут, на ее разборку 1—2 сут. Расход времени на собственно тампонирование поро ды составляет 0,2— 1,3 сут/м. Стоимость цементации 1 м выра ботки по прямым затратам составляет 120—300 руб.
Стоимость закрепления грунтов с помощью силикатизации и химизации зависит от многих факторов и колеблется от 2 до 60 руб за 1 м3 укрепленного грунта.
6.СТРОИТЕЛЬСТВО СТВОЛОВ
ИСКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА С ПРИМЕНЕНИЕМ СПОСОБА БУРЕНИЯ
6.1.СУЩНОСТЬ СПОСОБА
Способ бурения стволов и скважин большого диаметра со стоит в том, что с помощью специального оборудования осуще ствляют непрерывное разрушение породы и ее выдачу на по верхность благодаря постоянной циркуляции бурового раство ра, заполняющего ствол или скважину. Разрушение породы бу ровыминструментом осуществляется по всей площади забоя (сплошное бурение) или частично по периметру забоя выбури вается кольцевая щель с оставлением в центре ствола пород ного целика (керновое бурение), который впоследствии скалы вается и выдается на поверхность. При сплошном способе ство лы бурят ступенями — в несколько фаз — до полного диаметра. Первоначально на полную глубину ствола бурят передовую скважину, которую затем сверху вниз постепенно расширяют в несколько фаз. После того как ствол будет пробурен на пол ную проектную глубину, под защитой бурового раствора про изводят работы по возведению постоянной крепи. Затем ствол очищают от бурового раствора и проводят гидроизоляционные работы.
Способ является весьма перспективным и технически наи более совершенным, так как характеризуется высокой сте пенью механизации всех технологических процессов при макси мальной их автоматизации. При этом способе исключается не обходимость присутствия людей в забое, что создает реальные условия резкого повышения производительности труда и уве личения скорости строительства стволов шахт и скважин боль шого диаметра.
В развитии буровой техники в б. СССР различают три этапа. Первый этап (1940— 1950 гг.) характерен тем, что при сплошном бурении стволов использовали стандартное нефтя ное оборудование. В этот период было пробурено 26 стволов диаметром до 5 м в свету глубиной до 110 м в Подмосковном и Челябинском бассейнах, на строительстве Московского мет
рополитена.
Второй этап (1950—1960 гг.) характерен созданием Ураль ским заводом тяжелого машиностроения специальной буровой установки сплошного бурения УЗТМ-6,2, которой было пробу
рено четыре ствола диаметром |
6,2 м, |
общей глубиной |
1247 м |
|
в условиях Львовско-Волыиского угольного бассейна. |
рабо |
|||
В 50—60-е годы в б. СССР |
проводились |
большие |
||
ты по созданию и испытанию |
принципиально |
новых |
типов |
|
буровых установок кернового бурения |
(УКБ-3,6), реактивно |
|||
турбинного и дробового бурения с расположением главного двигателя буровой установки как в забое ствола, так и на по верхности, различных типов конструкций постоянной крепи и способов ее возведения.
Третий этап (I960— 1970 гг.) характеризуется дальнейшим развитием буровой техники сплошного бурения (УЗТМ-8,75-800) и применением реактивно-турбинных установок (РТБ) различ ного диаметра. В настоящее время установки УЗТМ сняты с производства, а широко используются только установки РТБ для бурения стволов и скважин диаметром от 0,7 до 5 м и глу биной 200— 1200 м.
За рубежом, начиная с 70-х годов, наблюдается значитель ная активизация работ по созданию и использованию буровых установок для бурения шахтных стволов. В США, ФРГ, Шве ции, Японии, Великобритании и других странах создано более 80 типов буровых установок, позволяющих бурить стволы шахт и скважины большого диаметра (от 1 до 7,5 м) на глубину до 1000 м в различных горно-геологических условиях.
6.2. ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ШАХТНЫХ СТВОЛОВ
6.2.1. Подготовительные работы
Технология строительства стволов с применением способа бурения включает в себя подготовительные работы, разруше ние породы буровым инструментом, очистку забоя ствола от разрушенной породы, возведение постоянной крепи, гидроизо ляционные работы (рис. 6.1).
До начала буровых работ на земной поверхности выполня ют работы по подготовке ствола к бурению. Первоначально на проектную глубину проходят устье ствола 2, которое крепят монолитной бетонной или железобетонной крепью 1. Воротник