Инженерно-геологические условия вскрытия и эксплуатации месторождений Печорского угольного бассейна

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Инженерно-геологические условия вскрытия и эксплуатации месторождений Печорского угольного бассейна

25.04.2020

Многолетняя мерзлота, температурный режим которой близок к 0° (от минус 0,1° до минус 1,7°), в ряде случаев осложняет условия проходок горно-подготовительных выработок, в особенности шахтных стволов. Осложнения чаще всего происходят в результате оттаивания рыхлых отложений, которые при этом значительно изменяют свои первоначальные инженерно-геологические свойства.

Практика строительства шахт на Воркутском месторождении показала, что резко осложняются проходки горных выработок в оттаявших суглинках и глинистых породах, которые в этом случае приобретают мягко-пластичные и даже текучие свойства. He меньшие осложнения создаются при проходке оттаявших песков и гравийно-галечных образований. Устойчивость в вертикальных стенках такие грунты не сохраняют, в связи с чем создается опасность просадки и даже обрушения постоянного крепления. Суглинки нижней части разреза четвертичных осадков (нижнеморенные) после оттаивания обычно устойчивы. Однако встречающиеся в разрезе этой толщи пропластки, реже пласты пылеватых глин в талом состоянии увеличиваются в объеме, легко выжимаются в горную выработку, создавая тем самым большое боковое давление на крепь.

Для характеристик условий вскрытия Воркутского месторождения ниже приводится несколько примеров сложных условий проходок шахтных стволов.

Главным стволом шахты № 25 в толще слоистой мерзлоты на глубине 51 м были встречены водоносные пески, заключавшие напорные воды. Водоприток в ствол при вскрытии горизонта достигал 25—30 м3/час. Дальнейшую проходку ствола было решено вести с помощью опускной крепи, так как мощность талых грунтов под башмаком ствола была определена контрольным бурением в 7—8 м. После сооружения форшахты, для чего пришлось на протяжении 20 м увеличить сечение ствола, были смонтированы режущий башмак и железобетонный цилиндр опускной крепи. Углубка ствола вследствие поступления внутрь опускной крепи плывунообразных песков, затруднявших подход к режущему ножу, оказалась весьма трудной, скорость проходческих работ не превышала 4—5 см/сутки. При глубине ствола около 55 м после внезапного прорыва из-под основания режущего ножа плывунов объемом до 22 м3 цилиндр крепи резко опустился до глубины 56,8 м. После прорыва плывунов дальнейшие работы по углубке ствола были малоэффективны. Когда режущий башмак крепи достиг глубины 57,9 м, пробуренной из забоя ствола скважиной было выяснено, что мощность талых плывунообразных грунтов под башмаком крепи увеличилась на 12—13 Mi и, следовательно, общая их мощность по оси ствола достигла 20 м.

Продолжительная откачка воды из ствола шахты привела к выносу большого количества мелкодисперсных частиц, что значительно ослабило несущие свойства грунтов в основании форшахты и явилось причиной разрыва ее крепи с образованием кольцевого зазора шириной до 1,5 м. Оторвавшейся частью форшахты опускная крепь была заклинена и работы по дальнейшей проходке пришлось прекратить. Paботы по дальнейшей проходке ствола возобновились только после искусственного замораживания водоносных песков. Проходка мерзлых пород затруднений не вызывала, однако большое количество операций по бурению скважин, монтажу охладительных устройств и замораживанию пород стоило больших капиталовложений и задержало окончание работ на несколько лет.

Наклонные стволы шахты № 17 были заложены на участке несливающейся мерзлоты, верхняя граница которой регистрировалась на глубине 10—14 м от поверхности. Проходка стволов велась в теплое время года, что способствовало быстрому оттаиванию мерзлоты. В результате этого временная деревянная крепь деформировалась, и на протяжении 6 At стволы оказались заваленными породой. Через образовавшуюся на поверхности большую воронку в выработки начали поступать надмерзлотные воды, ускорившие оттаивание мерзлых грунтов.

После ликвидации завала попытка начать дальнейшую проходку стволов с помощью забивной крепи успеха не имела, так как пучащие глинистые породы деформировали верхняки и шпунтовую крепь. Проходка стволов была продолжена после опережающего промораживания горных пород в забоях путем нагнетания в стволы по специальным выработкам холодного зимнего воздуха. Промораживание производилось в течение декабря—марта. С февраля была начата проходка стволов со среднесуточной скоростью около 0,3 м. Общая протяженность наклонных стволов, пройденных с помощью «естественного холода», составила около 20 м.

Холодный воздух для промораживания грунтов использовался частично при проходках стволов шахт № 8, 14, 20, 25, 29 и 30.

Разрушения и деформации крепи, связанные с оттаиванием мерзлоты, в вертикальных и наклонных стволах шахт проявляются различно. Для вертикальных стволов характерны разрушения бетонной части крепления, приводящие в отдельных случаях к перекосам стволов. Так, например, в стволе шахты № 27 через три года после окончания его проходки на глубине 30—35 м было обнаружено разрушение и выпучивание бетонной крепи. Несмотря на закрепление этого участка металлическими тюбингами, деформации ствола не прекратились. Аналогичные разрушения наблюдались и в стволе шахты № 19, бетонная крепь которого со временем оказалась сильно разрушенной.

Более значительные деформации, связанные с оттаиванием мерзлых пород, наблюдались при эксплуатации наклонных стволов шахт. Обычно процессы оттаивания мерзлого массива здесь происходили весьма интенсивно вследствие участия надмерзлотных и поверхностных вод, теплоотдач от калориферных каналов и подземной сети паропроводов. Развивающееся в результате оттаивания рыхлых пород значительное горное давление, как правило, влечет за собой деформацию крепления — поломку верхняков и выпучивание боковых стенок. Подобные явления наблюдались на шахтах № 4, 5 и 6 восточного крыла месторождения. Менее заметные деформации, связанные с нарушением естественных температурных условий массива мерзлых пород, наблюдались на большинстве шахт Воркутского месторождения.

Для предотвращения возможного оттаивания рыхлых пород за крепью стволов в практике строительства шахт находят применения специальные конструкции крепления шейки стволов. Такого типа крепления, применяемые на шахте № 19, представляют собой фор-шахту, снабженную охладительным устройством. Конструктивно фор-шахта состоит из двух концентрических бетонных стаканов с зазором около 1 м. Холодный воздух проходит по зазору и поступает в ствол шахты на глубине около 7 м через несколько отверстий во внутреннем стакане. В стволе он перемешивается с подогретым воздухом, поступающим из калориферной.

Условия проходок стволов шахт и горноподготовительных выработок в коренных породах с инженерно-геологической точки зрения следует признать благоприятными. В зонах нарушения естественного залегания коренных пород проходка горизонтальных выработок несколько усложняется; наблюдаются отдельные вывалы и повышенное давление на крепь.

Условия выемки запасов угля на шахтах Воркутского месторождения под открытыми водотоками и водоемами освещены Ю.Н. Гонобоблевым. По горногеологическим условиям участки выемки запасов угля под р. Воркутой можно разделить на три группы. К первой группе относятся участки шахт № 5, 6 и 40, где добычные работы велись на больших глубинах, ко второй — участки, где выемка запасов производилась на малых глубинах, но пермские породы изолированы от речных вод относительно мощным покровом рыхлых осадков (шахта № 16), и к третьей — участки, где горные работы велись на относительно большой глубине, но русло реки врезано в пермские породы (шахты № 2 и 3).

Специальным комплексом геологических, гидрогеологических и маркшейдерских исследований, проводившихся как до, так и после выемки запасов, доказано, что в кровле отрабатываемого угольного пласта после посадки лав образуются три различные по характеру зоны деформаций. В нарушенном массиве горных пород выделяются (снизу вверх): а) зона беспорядочного обрушения, б) зона интенсивного трещинообразования, в) зона плавного оседания без существенного изменения естественной трещиноватости горных пород, но с нарушением их у краевых частей мульды сдвижения.

Первая зона беспорядочного обрушения, образующаяся непосредственно над выработанным пластом, может иметь мощность от 1—2 до 4—5-кратной мощности отработанного пласта, в зависимости от системы его отработки и литологии слагающих кровлю пласта горных пород. Мощность этой зоны в условиях Воркутского месторождения редко превышает 8—10 м. Естественные условия водопроницаемости горных пород в границах этой зоны нарушаются полностью.

Вторая зона интенсивного трещинообразования распространяется от границы с зоной беспорядочного обрушения вверх на несколько десятков метров. Мощность этой зоны, как и первой, может изменяться в широких пределах, но в среднем должна быть принята равной 20—30-кратной мощности отрабатываемого пласта. Так, например, на поле шахты № 3 суммарная мощность двух зон (беспорядочного обрушения и интенсивной трещиноватости) изменялась от 52 до 82 м, что составляет 19—30 крат от мощности отработанного пласта. На поле шахты № 16 суммарная мощность этих зон 20 м (19 крат). Естественные условия водопроницаемости разреза горных пород в границах этой зоны нарушаются частично.

В третьей зоне плавного оседания условия водопроницаемости горных пород после подработки массива остаются практически неизменными.

В результате проведенных работ выяснилось, что опасные деформации, возникающие в надугольной толще в результате выемки угольных пластов мощностью 1,1—2,6 м, распространяются на высоту, обычно не превышающую 80—90 м.

Данные об условиях выемки запасов угля под р. Воркутой по ряду шахт приведены в табл. 60.

Таким образом, в результате проведенных на Воркутском месторождении опытных работ доказана безопасность выемки запасов угля под р. Воркутой и другими водотоками или водоемами при отношении мощности надугольной толщи к мощности отрабатываемого пласта не менее 100, а по наблюдениям за характером деформаций массива горных пород над отработанным пространством при указанном отношении более 40.
Инженерно-геологические условия вскрытия и эксплуатации месторождений Печорского угольного бассейна

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: