При ведении горных работ

УПРАВЛЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

9.1. Гидродинамические процессы при ведении горных работ

К гидродинамическим явлениям при ведении подземных горных работ относятся внезапные прорывы воды в горные выработки, которые характеризуются катастрофически быстрым (в течение нескольких секунд) проникновением воды с поверхности водоема или из зоны в глубине массива в выработанное пространство очистного забоя или забой подготовительной выработки.

При подработке водоемов возможны следующие виды прорывов воды в горные выработки:

- по эксплуатационным трещинам в подрабатываемом массиве;

- по трещинам тектонического происхождения;

- через водопроводящие слои пород и зону развития трещин.

В зависимости от геологического строения толщи пород и глубины разработки при подработке водоемов принимаются следующие способы управления состоянием массива:

- без обрушения пород кровли (камерные системы разработки с оставлением целиков или с применением твердеющей закладки);

- с частичным обрушением пород кровли (сплошные и столбовые системы разработки с оставлением целиков или закладкой выработанного пространства);

- с полным обрушением пород кровли (столбовые, сплошные и камерно-столбовые системы разработки).

Значительную опасность при ведении подземных горных работ представляют прорывы воды из затопленных выработок в действующие горные выработки. Возможны следующие опасные ситуации:

- прорывы через зону сквозной трещиноватости в подработанной толще, отделяющей разрабатываемый пласт от вышерасположенных выработок затопленного горизонта;

- прорывы в подготовительные выработки через целики угольного пласта при подходе забоя выработки по пласту угля к затопленному пространству;

- прорывы из плывунов по трещинам тектонического или эксплуатационного происхождения.

Для исключения вероятности прорывов воды из затопленных выработок на планах горных работ определяются зоны, опасные по прорывам воды, вблизи которых ведение горных работ необходимо вести с применением мер предотвращения прорывов воды.

9.2. Отнесение участков пластов к зонам, опасным по прорывам воды

При ведении подземных горных работ к опасным по прорывам воды относятся следующие зоны:

- у затопленных выработок, пройденных по угольным пластам или вмещающим породам;

- у шахтных стволов, шурфов и скважин;

- у разрывных тектонических нарушений, пересекающих затопленные выработки;

- в толщах, залегающих под и над затопленными выработками.

У выработок, пройденных с подъемом, при установленном стоке воды из них опасную зону не устанавливают.

Погашенные, а также необследуемые непогашенные выработки рассматриваются как затопленные до установления отсутствия в них воды.

Для предотвращения прорывов воды из затопленных выработок разрабатываемого пласта или соседних выше или нижележащих пластов оставляются барьерные и предохранительные целики угля.

Барьерными целиками называются целики угольных пластов на разрабатываемом пласте, оставленные в границах опасных зон у затопленных выработок, у скважин и разрывных нарушений, пересекающих затопленные выработки.

Предохранительными целиками называются целики угля в границах опасных зон на пластах, расположенных под и над затопленными выработками разрабатываемого пласта.

Ширину опасных по прорывам воды зон (барьерных целиков) у затопленных выработок, пройденных в одиночных пластах мощностью до 3,5 м при углах падения до 30^о, следует определять по формуле

, (9.1)

где S - ширина опасной зоны (барьерного целика), м;

H - расстояние по вертикали от земной поверхности до пласта в опасной зоне, м;

m - вынимаемая мощность пласта, м;

Dl - погрешность положения затопленной выработки (определяется маркшейдером шахты), м. В расчетах можно принимать 5 м.

Ширина опасной зоны принимается равной 20 м, если по формуле (9.1) она получилась менее 20 м. При давлении воды в затопленной выработке менее 0,1 МПа ширина барьерного целика принимается равной 20 м.

Схема построения барьерного целика на разрабатываемом пласте приведена на рис.9.1.

Рис.9.1. Схема построения барьерного целика

У затопленных вертикальных стволов, шурфов, необсаженных технических скважин радиус круговой опасной зоны рассчитывается по формуле (9.1) с увеличением полученного значения на 5 м. Радиус должен быть не менее 20 м.

При проведении подготовительных выработок под затопленными выработками устанавливают опасную зону, если расстояние по нормали между подготовительной и затопленной выработками не превышает 10h, где h - высота подготовительной выработки вчерне. Минимально допустимое расстояние должно быть не менее 25 м.

При ведении очистных работ по пласту, залегающему под затопленными выработками, устанавливают опасную зону, если расстояние по нормали от кровли вынимаемого пласта до затопленной выработки менее безопасного расстояния N_б, определяемого по формулам:

N_б=40m при m < 2 м; (9.2)

N_б=35m (но не менее 80 м) при m > 2 м и С/20m £ 0,4; (9.3)

N_б=25m (но не менее 80 м) при m > 2 м и С/20m > 0,4; (9.4)

где m - мощность вынимаемого пласта, м;

С - суммарная мощность алевролитов, аргиллитов и глинистых сланцев в толще пород мощностью 20m (считая от нижней границы затопленной выработки).

При ведении горных работ над затопленными подготовительными выработками опасная зона устанавливается ниже пьезометрического уровня воды в затопленных выработках, если расстояние по нормали от затопленных до проектируемых выработок менее 10h, где h - высота затопленной выработки вчерне.

При ведении горных работ над затопленными очистными выработками опасные зоны устанавливаются ниже пьезометрического уровня воды в затопленных выработках, если расстояние между проектируемыми и затопленными выработками менее величины безопасной глубины N_б, которая определяется согласно формул 9.2-9.4 при величине m, соответствующей мощности пласта в затопленных выработках.

Подработка барьерных целиков очистными выработками допускается в нижележащих пластах, если расстояние по нормали между кровлей разрабатываемого пласта и почвой барьерного целика превышает 60m (m -

мощность разрабатываемого пласта).

9.3. Мероприятия при ведении горных работ в зонах, опасных по прорывам воды

Ведение очистных работ в барьерных целиках, а также в предохранительных целиках под и над затопленными выработками осуществляется только после спуска воды из них.

В проектах спуска воды из затопленных выработок предусматриваются следующие мероприятия:

- проведение выработок до границ опасных зон;

- устройство камер для бурения водоспускных и контрольных скважин;

- выбор параметров (длина и диаметр) скважин;

- оценка ожидаемого притока воды по скважинам;

- расчет времени спуска воды;

- разработка мер по предотвращению дополнительного поступления воды в осушаемые выработки.

Проведение подготовительных выработок, предназначенных для спуска воды, по пласту или породе в пределах опасной зоны возможно только при соблюдении следующих условий:

- выработки должны проводиться узкими забоями с бурением опережающих скважин;

- на пластах с углом падения более 25^о должны проводиться парные выработки;

- диаметр опережающих скважин не должен превышать 76 мм.

Если в забое, приближающемся к зоне, опасной по прорывам воды, появляются признаки возможного прорыва воды (потение забоя, усиление капежа и др.), люди должны быть немедленно выведены из этой и всех других выработок, находящихся под угрозой затопления.

Уровень воды в затопленных выработках определяется по специально пробуренным скважинам с поверхности или из горных выработок, или по замерам уровней в горных выработках, гидравлически связанных с затопленными.

Объем воды в затопленных выработках оценивают по объему трещин и пор в породах, заполняющих выработанное пространство, и в зоне водопроводящих трещин над ним. Коэффициент заполнения (отношение объема трещин и пор к объему вынутого угля и вмещающих пород) при управлении кровлей полным обрушением в зависимости от устойчивости пород принимается равным 0,1-0,4. Для подготовительных и капитальных выработок коэффициент заполнения изменяется от 0,3 до 1,0.

Расчет ожидаемого притока по скважине при спуске по ней воды из

затопленных выработок выполняется по формуле

, (9.5)

где Q - приток (расход воды) по скважине, м³/мин;

d - диаметр скважины, м;

H_o - напор над устьем скважины (высота водяного столба), м;

g - ускорение силы тяжести, g = 9,8 м/с²;

l - длина скважины от герметизатора до затопленной выработки, м.

Конечный диаметр опережающих и водоспускных скважин при ожидаемом давлении воды в затопленных выработках менее 0,5 МПа принимается не более 76 мм, а при давлении воды более 0,5 МПа должен быть не более 46 мм.

Количество скважин, предназначенных для спуска воды, должно быть не менее двух (водоспускные и контрольная).

Длина герметизации принимается от 4 до 15 м в зависимости от ожидаемого давления воды, крепости и устойчивости горных пород.

Расчет времени, необходимого для спуска воды из затопленной выработки, проводится с учетом постепенного снижения дебита скважин при

уменьшении напора на их устья, а также притока подземных вод к осушае-

мым выработкам. Среднее значение притока Q_ср определяется как половина от максимального значения, рассчитанного по формуле (9.5).

Время на спуск воды из затопленной выработки определяется по формуле

, (9.6)

где V - объем воды в затопленной выработке, м³;

q - естественный приток воды в затопленную выработку, м³/ч.

Спуск воды из затопленных выработок считается законченным при выполнении следующих условий:

- давление на устье скважины равно нулю или равно давлению столба воды высотой, соответствующей вертикальной проекции скважины;

- стабилизация расхода скважины (минимальный расход не изменяется в течение нескольких суток и соответствует нормальному водопритоку в выработки до их затопления);

- объем спущенной по скважинам воды соответствует принятому коэффициенту заполнения выработок и притоку в осушаемые выработки.

До начала бурения водоспускных скважин должны быть подготовлены пути движения воды по горным выработкам, водосборники и водоотливные средства для откачки ожидаемых объемов воды.

Для откачки максимальных притоков воды в горные выработки на шахтах устанавливаются водоотливные установки. Вместимость водосборников главного водоотлива рассчитывается не менее чем на 4-х часовой максимальный приток, а участковых - на 2-х часовой приток.

Главные и участковые водоотливные установки состоят из рабочего и резервного агрегатов. Подача каждого агрегата должна обеспечивать откачку максимального суточного притока воды не более чем за 20 ч.

Контрольные вопросы:

1. Гидродинамические процессы при ведении горных работ.

2. Зоны, опасные по прорывам воды.

3. Назначение барьерных и предохранительных целиков.

4. Мероприятия при ведении горных работ зонах, опасных по прорывам воды.