книги / Строительная геотехнология

Сложные гидрогеологические условия

£Д

Рис. 4.3. Методы подготовки и способы воздействия на массив горных пород при строительстве подземных сооружений в сложных гидрогеоло­ гических условиях

В этих случаях для борьбы с водой и давлениями, вызы­ ваемыми ее присутствием в породах, применяются способы воздействия на массив (специальные способы). К основным случаям применения специальных способов относится строи­ тельство подземных сооружений:

♦ в рыхлых водонасыщенных породах (плывунах), представленных слабосвязанными песчано-глинистыми породами различного гранулометрического состава, ко­ торые под воздействием гидростатического напора при­ обретают свойства текучего тела;

116

♦ в устойчивых трещиноватых весьма водообильных породах, представленных песчаниками, известняками, мергелями и т.п.

В практике шахтного и подземного строительства в сложных гидрогеологических условиях используются сле­ дующие способы воздействия на массив горных пород (специальные способы).

Замораживание — способ температурного воздействия на массив горных пород с целью создания в нем водонепро­ ницаемого ледопородного ограждения, способного проти­ востоять внешнему давлению пород и подземных вод. Сущ­ ность способа заключается в том, что до начала горно­ строительных работ по периметру или трассе подземного объекта бурят систему скважин через 0,8—2 м, оборудован­ ных замораживающими колонками. Через замораживающие колонки с помощью насосов прокачивают холодоноситель (водный раствор солей хлоридов кальция, натрия, лития), охлажденный до температуры -20 ... -40 °С, или заморажи­ вающие колонки заполняют хладоагентом (аммиак, углеки­ слота, фреон), который непосредственно испаряется в замо­ раживающей колонке при температуре от -35 до -196 °С. В процессе непрерывного теплообмена холодоносителя (хладоагента) с окружающим породным массивом вода, нахо­ дящаяся в горных породах, замерзает, и вокруг каждой колонки постепенно образуются ледопородные цилиндры, которые в дальнейшем смыкаются в единое ледопородное ограждение.

Замороженные горные породы резко изменяют свои пер­ воначальные физико-механические свойства, что позволяет по­ сле достижения ледопородным ограждением проектных разме­ ров приступить к горно-проходческим работам. Ледопородное ограждение в этом случае играет роль временной водонепро­ ницаемой ограждающей крепи, обеспечивающей безопасные условия производства горно-строительных работ.

Ледопородное ограждение поддерживают до тех пор, пока не будет закончено строительство подземного объекта. При проектировании процесса замораживания горных по­ род расчетом должны быть определены следующие парамет­ ры: толщина ледопородного ограждения, расстояние между

117

замораживающими скважинами и их число, производи­ тельность замораживающей установки и время для созда­ ния необходимой толщины ледопородного ограждения. По окончании строительства ледопородное ограждение ликвидируется путем оттаивания. Оттаивание заморожен­ ных пород может быть осуществлено естественным путем или искусственно.

Водопонижение — способ гидравлического воздействия на массив горных пород с целью снижения уровня или напо­ ра подземных вод.

Сущность способа заключается в том, что до начала горно-строительных работ по периметру или трассе подзем­ ного объекта бурят систему водопонизительных скважин. Водопонизительные скважины оборудуют фильтрами и по­ гружными насосами для откачки воды. В результате уровень подземных вод понижается, породный массив осушается, что позволяет производить горно-проходческие работы в более благоприятных условиях. Механические свойства неустой­ чивых пород при этом изменяются: повышаются их плот­ ность и устойчивость.

Преимущество искусственного понижения уровня под­ земных вод закшочается в том, что не требуется большого количества материалов, а дренажный эффект достигается в относительно короткие сроки.

При проектировании водопонизительных работ необхо­ димо учитывать, что их проведение приводит к уплотнению породного массива и нарушению его природных свойств. Поэтому при выборе вида и схемы водопонижения, техниче­ ских средств и размеров осушаемой зоны следует всесторон­ не проанализировать и правильно оценить возможные изме­ нения природной обстановки в районе строительства под­ земного объекта.

Тампонаж — способ гидравлического воздействия на массив горных пород с целью создания в нем инъектированной упрочненной зоны, способной противостоять внешнему давлению пород и поступлению в выработку подземных вод.

Сущность способа заключается в искусственном запол­ нении пустот, трещин и пор в массиве горных пород через

118

систему скважин материалом, способным со временем за­ твердевать. Тампонажный раствор нагнетают под давлением в 2—3 раза большим, чем гидростатическое давление под­ земных вод. Тампонажный раствор, распространяясь на оп­ ределенное расстояние от скважин, заполняет пустоты и трещины в породах, и после затвердевания водонепрони­ цаемость породного массива в значительной степени умень­ шается, что дает возможность возводить и впоследствии эксплуатировать подземные объекты в относительно благо­ приятных условиях.

В зависимости от того, какой материал нагнетается в массив горных пород, различают следующие виды тампони­ рования: цементация, глинизация, битумизация, силикатиза­ ция, смолизация.

Опускные сооружения — способ механического воздей­ ствия на массив горных пород с целью создания в нем опе­ режающего грузонесущего ограждения, перекрывающего не­ связные водонасыщенные породы.

Сущность способа заключается в том, что на земной по­ верхности возводятся стены будущего подземного сооруже­ ния, снабженного в нижней части режущим башмаком и имеющего замкнутую форму поперечного сечения. В даль­ нейшем в контуре ограждающей крепи производится выемка породы и выдача ее на поверхность за пределы крепи. По мере выемки породы опускная крепь погружается в массив на проектную глубину, перекрывая неустойчивые водонос­ ные породы. Погружение производится под воздействием собственного веса или внешней нагрузки. Для резкого сни­ жения сил бокового трения, препятствующих опусканию со­ оружения, а также обеспечения устойчивости породных стен полость между наружной поверхностью сооружения и по­ родным массивом заполняют тиксотропным глинистым рас­ твором.

Шпунтовые ограждения — способ механического воз­ действия на массив горных пород с целью создания в нем опережающей сборной конструкции, перекрывающей участ­ ки неустойчивых пород.

119

бина расположения водоносного горизонта и коэффициент фильтрации пород (ЛТф > 1—2 м/сут) при водопонижении, ве­ личина раскрытия трещин (Ктр = 0,2—50 мм) и величина удельного водопоглощения (Къ > 0,01 л/мин) при цементации горных пород.

4.3. СЛОЖ НЫЕ ГАЗОДИНАМ ИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Под сложными газодинамическими условиями следует понимать такие условия, при которых проходка горных вы­ работок вызывает самопроизвольное разрушение угольного (породного) массива под действием горного давления, дав­ ления газа и собственного веса угля (породы).

На рис. 4.4 представлена классификация методов подго­ товки, способов воздействия на массив горных пород и ор­ ганизационно-технические решения при строительстве под­ земных сооружений в сложных газодинамических условиях.

К числу газодинамических явлений при проходке горных выработок относятся: внезапные выбросы угля и газа; вне­ запные выбросы песчаника; горные удары; суфляры.

В сложных газодинамических условиях применяются следующие способы воздействия на массив.

Дегазация — способ снижения газоносности и выбросоопасности массива за счет вакуумирования газа путем буре­ ния из забоя опережающих скважин.

Увлажнение — способ снижения газовыделения, выбросоопасности и пылеобразующей способности угольного пласта за счет изменения его свойств путем нагнетания воды в низконапорном режиме через скважины, пробуренные из забоя.

Гидрорыхление — способ снижения выбросоопасности угольного пласта за счет нарушения структуры угля путем нагнетания воды под высоким давлением через скважины, пробуренные из забоя.

Гидровымывание — способ снижения выбросоопасности угольного пласта путем образования опережающих полос­ тей в массиве с использованием гидравлической энергии.

121

Сложные газодинамические условия

1 У Методы подготовки массива

Рис. 4.4. Методы подготовки, способы воздействия на массив горных пород, организационно-технические решения при строительстве под­ земных сооружений в сложных газодинамических условиях

Торпедирование — способ снижения выбросоопасности угольного пласта за счет нарушения природной структуры пласта энергией взрыва зарядов ВВ в скважинах, пробурен­ ных из забоя.

Создание разгрузочных щелей (пазов) — способ сниже­ ния выбросоопасности массива за счет его разгрузки путем создания во вмещающих породах полостей определенной конфигурации и размеров.

Гидроотжим — способ снижения выбросоопасности угольного пласта за счет изменения напряженного состояния его призабойной зоны путем нагнетания под большим дав-

122

лением воды в пласт через пробуренные шпуры для после­ дующего выдвигания угля в выработку.

Физико-химическая обработка — способ снижения выбросоопасности угольного пласта путем его обработки со­ ставом веществ, не изменяющим свое фазовое состояние.

Физико-химическое воздействие — способ снижения выбросоопасности угольного пласта путем его обработки со­ ставом веществ, изменяющим свое фазовое состояние.

Критериями отнесения горно-геологических условий к сложным газодинамическим в зависимости от вида проявле­ ния являются:

♦ при горных ударах — показатель удароопасности угля Р. Например, для Кузнецкого бассейна установлено от­ ношение упругих деформаций к полным, характеризую­ щее зависимость потенциальной удароопасности пла­ стов от прочности угля:

где еупр — упругая относительная деформация; еПОл — полная относительная деформация; а — прочность угля, кПа.

Пласт считается потенциально удароопасным при

Р> 70 %;

♦при внезапных выбросах угля:

а) относительная газообильность (10 м3/т и более су­ точной добычи);

б) комплексный показатель выбросоопасности пласта По. В Кузбассе выбросоопасность пласта прогнозирует­ ся следующей зависимостью:

(4.2)

где Рг max — наибольшее давление газа; fmn — наименьший коэффициент крепости угля по угольным пачкам.

При Пс > 0 пласт считается опасным.

123

Для Карагандинского бассейна

(4.3)

где APw— показатель начальной скорости газоотдачи угля с учетом его естественной влажности для пачки с/min.

На Воркутинском месторождении, а также на месторож­ дениях Приморского края и Сахалина угольные пласты счи­ таются опасными при давлении газа в разведочных скважи­ нах более 1 МПа;

в) предельное значение комплексного показателя степе­ ни метаморфизма Мгр.

В соответствии с Инструкцией по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа, определение степени выбросоопасности пласта производится по показателю

(4.4)

где Рщах — максимальное замеренное давление газа в пласте при его вскрытии, МПа; / — коэффициент крепости угля по шкале проф. М.М. Протодьяконова. Если ив > 0, то пласт считается опасным по выбросам;

♦ при выбросоопасных песчаниках — по дискованию керна (число в 1 м керна выпукло-вогнутых дисков).

4.4. СЛОЖ НЫ Е ГЕОМ ЕХАН И ЧЕСКИ Е УСЛОВИЯ

Под сложными геомеханическими условиями следует понимать такие условия, при которых строительство под­ земных сооружений вызывает образование областей разру­ шения или незатухающие пластические деформации массива горных пород.

На рис. 4.5 представлена классификация методов подго­ товки, способов воздействия на массив горных пород и ор­ ганизационно-технические решения при строительстве под­ земных сооружений в сложных геомеханических условиях.

124

Рис. 4.5. Методы подготовки, способы воздействия на массив горных пород и организационно-технические решения при строительстве под­ земных сооружений в сложных геомеханических условиях

В сложных геомеханических условиях применяются сле­ дующие способы воздействия на массив.

Разгрузка скважинами, щелями, камуфлетным взрывом

— способы предупреждения пучения пород почвы выработ­ ки за счет искусственного образования в приконтуриом мас­ сиве локальной зоны пониженных напряжений.

Активная разгрузка, последующее упрочнение — способ изменения напряженно-деформированного состояния приконтурного массива выработки за счет его разгрузки камуф­ летным взрывом с последующим упрочнением тампонаж­ ными растворами.

125