книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений

врыхлых водонасыщенных породах (плывунах), пред­ ставленных слабосвязанными песчано-глинист ыми по­ родами различного гранулометрического состава, ко­ торые под воздействием гидростатического напора приобретают свойства текучего тела;

вустойчивых трещиноватых весьма водообильных по­ родах, представленных песчаниками, известняками,

мергелями и т.п.

В практике шахтного я подземного строительства в слож­ ных гидрогеологических условиях используются следующие способы воздействия на массив горных пород (специальные способы):

Замораживание - способ температурного воздействия на массив горных пород с целью создания в нем водонепрони­ цаемого ледопор9дного ограждения, способного противосто­ ять внешнему давлению пород и подземных вод. Сущность 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 холодрносителя (хладоагента) с окружающим породным массивом вода, находя­ щаяся в горных породах, замерзает, и вокруг каждой колон­ ки постепенно образуются ледопородные цилиндры, кото­ рые в дальнейшем смыкаются в единое ледопородное огра­ ждение.

Замороженные горные породы резко изменяют свои пер­ воначальные физико-механические свойства, что позволяет после достижения ледопородным ограждением проектных размеров приступить к горнопроходческим работам. Ледо­ породное ограждение в этом случае играет роль временной

водонепроницаемой ограждающей крепи, обеспечивающей

безопасные условия производства горно-строительных ра­ бот.

Ледопородное ограждение поддерживают до тех пор, пока не будет закончено строительство подземного объекта. При проектировании процесса замораживания горных пород расчетом должны быть определены следующие параметры: толщина ледопородного ограждения, расстояние между за­ мораживающими скважинами и их количество, производи­ тельность замораживающей установки и время для создания необходимой толщины ледопородного ограждения. По окон­ чании строительства ледопородное ограждение ликвидиру­ ется путем оттаивания. Оттаивание замороженных пород может быть осуществлено естественным путем или искусст­ венно.

Водопонижение - способ гидравлического воздействия на массив горных пород с целью снижения уровня или напора подземных вод.

Сущность способа заключается в том, что до начала гор­ но-строительных работ по периметру или трассе подземного объекта бурят систему водопонизительных скважин. Водо­ понизительные скважины оборудуют фильтрами и погруж­ ными насосами для откачки воды. В результате уровень под­ земных вод понижается, породный массив осушается, что позволяет производить горнопроходческие работы в более благоприятных условиях. Механические свойства неустой­ чивых пород при этом изменяются: повышаются их плот­ ность и устойчивость.

Преимущества искусственного понижения уровня под­ земных вод заключается 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 их природных свойств. По­ этому при выборе вида и схемы водопонижения, техниче­ ских средств и размеров осушаемой зоны следует всесто­ ронне проанализировать и правильно оценить возможные изменения природной обстановки в районе строительства подземного объекта.

Тампонаж - способ гидравлического воздействия на мас­ сив 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 заполне­ нии пустот, трещин и пор в массиве горных пород через систему скважин материалом, способным со временем за­ твердевать. Тампонажный раствор нагнетается под давлени­ ем в 2 3 раза большим, чем гидростатическое давление подземных вод Тампонажный раствор, распространяясь на определенное 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 в последствии эксплуатировать подземные объекты в относительно благо­

приятных условиях.

В зависимости от того, какой материал нагнетается в мас­ сив горных пород различают следующие виды тампониро­ вания: цементация, глинизация, битумизация, силикатиза­ ция, смолизация.

Опускные сооружения - способ механического воздейст­ вия на массив горных пород с целью создания в нем опере­ жающего груэонесущего 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 выем­ ка 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 сооружения, а также обеспечения устойчивости породных стен, полость между наружной поверхностью сооружения и породным массивом заполняется тиксотропным глинистым раствором.

Критериями отнесения горно-геологических условий к сложным гидрогеологическим в зависимости от способа воз­ действия на массив являются, например: предельная глубина расположения водоносного горизонта и коэффициент

фильтрации пород (Кф^1-2 м/сут) при водопонижении, вели­ чина раскрытия трещин (Ктр = 0,2-50 мм) и величина удель­ ного водопоглащения (Кв>0,01 л/мин) при цементации гор­ ных пород.

§2.5. Классификация и критерии оценки сложных газодинамических условий

строительства подземных сооружений

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

На рис. 2.8 представлена классификация методов подго­ товки, способов воздействия на массив горных пород, орга­ низационно-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;

•внезапные выбросы песчаника;

•горные удары;

•суфляры.

Всложных газодинамических условиях применяются сле­ дующие 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 низ­ конапорном режиме через скважины, пробуренные из за­ боя.

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 полостей в массиве с использованием гидравлической энергии.

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 снижения выбросоопасности массива за счет его разгрузки путем соз­ дания во вмещающих породах полостей определенной кон­ фигурации и размеров.

Гидроотжим - способ снижения выбросоопасности уголь­ ного пласта за счет изменения напряженного состояния его призабойной зоны путем нагнетания под большим давлени­ ем воды в пласт через пробуренные шпуры для последующе­ го выдвигания угля в выработку.

Физико-химическая обработка - способ снижения выбро­ соопасности угольного пласта путем его обработки составом веществ, не изменяющим свое фазовое состояние.

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

Критериями отнесения горно-геологических условий к сложным газодинамическим, в зависимости от вида прояв­ ления, являются:

•при горных ударах - показатель удароопасности угля

Р.Например, для Кузнецкого бассейна установлено отношение упругих деформаций к полным, характери­ зующее зависимость потенциальной удароопасности

пластов от прочности угля [109]:

0,0013 о - 12 при 1000 < а < 8000 90 при 8000 < а < 20000

-1,9 f 2 ; (2.4)

где:

Ртах " максимальное замеренное давление газа в пласте при его вскрытии, МПа;

f - коэффициент крепости угля по шкале проф. М.М. Протодьяконова.

Если пв > 0, то пласт считается опасным по выбросам.

• при выбросоопасных песчаниках по дискованию керна (количество в 1м керна выпукло-вогнутых дис­ ков).

§2.6. Классификация и критерии оценки сложных геомеханических условий

строительства подземных сооружений

Под сложными геомеханическими условиями следует по­ нимать такие условия, при которых строительство подзем­ ных сооружений вызывает образование областей разруше­ ния или незатухающие пластические деформации массива горных пород.

На рис. 2.9 представлена классификация методов подго­ товки, способов воздействия на массив горных пород, орга­ низационно-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 выработки за счет искусственного образования в приконтурном масси­ ве 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 тампонажны­ ми растворами.

JN U JU