Главная Минимаркер Мосты и тоннели Минимаркер Строительство тоннелей и метрополитенов Минимаркер Сооружение стволов шахт специальными способами

Сооружение стволов шахт специальными способами

Страница 4 из 8

Проходка и возведение обделки стволов шахт под защитой водонепроницаемой стенки из закрепленных грунтов или в грунтах, осушенных способом водопонижения, выполняются в такой же последовательности и с применением такого же оборудования, как и при обычном способе производства работ. Проходку начинают только после окончания всего комплекса работ по закреплению грунтов или водопонижению и после оформления приемочного акта.

Применение того или иного способа искусственного закрепления грунтов вызывает только некоторые особенности в выполнении отдельных операций по проходке ствола и возведению обделки.

Применение искусственного замораживания грунтов

Этот способ заключается в искусственном замораживании водоносных грунтов или плывунов, в которых предусматривается сооружение ствола шахты. Вокруг будущего контура ствола через всю толщу водоносных грунтов бурят скважины, заглубляя их в водоупорный слой на 2–3 м. При отсутствии на глубине, до которой проходят ствол, водоупора бурят несколько скважин в пределах сечения ствола для образования подушки из замороженных грунтов.

Для наблюдения за процессом замораживания бурят контрольные скважины; гидрогеологические (не менее двух, одна внутри, другая за пределами замораживающего контура) для наблюдения за колебаниями грунтовых вод и термометрические, оборудованные термометрами для измерения температуры грунта. Термические скважины располагают между замораживающими колонками и внешней границей льдопородного ограждения в количестве не менее 10% от общего числа замораживающих скважин.

Диаметр гидрогеологических и термометрических скважин принимают равным 75–100 мм. Производительность холодильной установки определяется теплотехническим расчетом. Для этого определяют объем грунта и объем воды, подлежащих замораживанию отдельно для каждого пласта. Методика расчета приведена в специальных технических указаниях.

Для бурения вертикальных замораживающих скважин получили распространение станки вращательного бурения УРБ-3АМ, СБУ-150-ЗИВ и трубобуровые установки УЗТ-1, УЗТ-2. В процессе бурения происходят отклонения скважин от вертикали, поэтому необходим систематический контроль за их направлением, который осуществляется с помощью специальных приборов.

Бурение в неустойчивых грунтах ведется с промывкой скважин глинистым раствором с содержанием глины от 15 до 40%. В крупнопористых и трещиноватых скальных грунтах используют раствор бентонитовых глин. Вертикальные колонки при замораживании до 18 м в несвязных грунтах погружают гидравлическим методом (подмывом) или при помощи вибромолотов.

Питающие трубы замораживающих колонок подключают к распределительному рассолопроводу (1) (рис. 6.12), отводящие трубы (2) подключаются к коллектору. Распределительный рассолопровод и коллектор размещаются в галерее (3). Обычно для рассолопровода принимают трубы диаметром 150–250 мм, прокладываемые в траншеях, глубина которых назначается больше глубины промерзания грунта. Трубы укладывают на деревянные подкладки и закрывают теплоизоляционным материалом, после чего траншею засыпают грунтом. Оборудование замораживающей станции монтируют в соответствии с заводскими инструкциями.

Галерея для распределителя и коллектора

Рис. 6.12 – Галерея для распределителя и коллектора

При большой мощности водоносных грунтов применяют ступенчатое замораживание, т. е. вначале замораживают верхнюю часть, а затем нижнюю часть водоносной толщи. Этот способ применяют также, если глубина замораживания должна быть увеличена в результате появления новых водоносных пластов или неустойчивых водонасыщенных грунтов. Тогда верхнюю часть ствола проходят обычным способом, проходку нижней части в неустойчивых грунтах производят с предварительным ступенчатым замораживанием.

Локальный способ замораживания состоит в частичном замораживании одного или нескольких водоносных пластов небольшой мощности. При глубоком залегании водоносных пластов скважины бурят из ствола шахты, при неглубоком – с поверхности земли; циркуляцию рассола ограничивают.

Проходка шахтных стволов в искусственно замороженных грунтах имеет свои особенности, так как в замороженном состоянии водоносные пески и плывуны изменяют свои физико-механические свойства и при их разработке частицы грунта имеют форму линз с острыми углами.

В песчаных, гравелистых пластах и в крепких грунтах холод распространяется дальше, чем в глинах, поэтому диаметр незамороженного ядра в шахтном стволе в глинистых грунтах всегда больше незамороженного ядра в песчаных грунтах. В практике встречаются случаи, когда такой грунт бывает заморожен по всему сечению ствола.

Глинистые и песчаные грунты разрабатывают отбойными молотками или специальными лопатами. Сначала на глубину 1 м разрабатывают зону талых грунтов, а затем производят отбойку замороженных грунтов, продвигаясь от центра к периферии ствола. Если проморожено все сечение, то в центре забоя отбойными молотками делают вруб глубиной 0,5 м и дальше продолжают отбойку в том же порядке. При разработке грунта около замораживающих колонок необходимо соблюдать особую осторожность.

Буровзрывные работы разрешается применять только в устойчивых грунтах, причем должна быть обеспечена целость льдогрунтового цилиндра. Работы ведутся методом мелкошпуровых зарядов. Для бурения шпуров применяют перфораторы, выбор которых производят в зависимости от крепости грунта. При этом для промывки шпуров в замороженной зоне применяют слабый раствор хлористого кальция.

Врубовые шпуры принимаются глубиной до 1,5 м, все остальные шпуры – вспомогательные и оконтуривающие (периферийные) бурят от обделки на расстоянии не менее 0,4 м и от замораживающих колонок не менее 1 м. Остающуюся у контура ствола часть не отбитого взрывом грунта дорабатывают отбойными молотками.

При взрывании замороженных грунтов ВВ не должны изменять своих свойств, при низких температурах, должны быть малочувствительными к внешним воздействиям и развивать необходимую работоспособность. Указанным требованиям отвечают аммониты. Так, аммонит №6 ЖВ рекомендуется для взрывания грунтов средней крепости, а скальный аммонит – для взрывания весьма крепких грунтов. В качестве средств взрывания применяют электродетонаторы с замедленным взрыванием. При большой мощности устойчивых водоносных замороженных грунтов следует рассмотреть вопрос применения метода гладкого взрывания оконтуривающих зарядов, при котором после взрыва достигаются контуры ствола, близкие к проектным. Кроме того, такое взрывание обеспечивает меньший сейсмический эффект, что очень важно при наличии льдогрунтовой стены.

В случае если грунты представлены наносами с включением отдельных валунов, разделка которых отбойными молотками неэффективна, также применяют буровзрывные работы. При ограничении или невозможности ведения взрывных работ применяется безвзрывной шпуроклиновый способ с применением гидроклиньев, заключающийся в том, что в пробуренный шпур вставляются гидроклинья, раскалывающие валуны или негабаритные куски скалы.

За время проходки ствола шахты технический надзор обязан следить за появлением на обнаженных стенах и в забое ствола темных пятен, которые могут появиться в результате проникания рассола из замораживающих колонок, а также – за деформациями замороженных грунтов. В угрожающих случаях людей выводят из забоя.

При появлении в стволе воды работы останавливают, производят дополнительное замораживание грунтов и после пробной откачки воды производят дальнейшую проходку ствола. В пластичных грунтах (глины, мергели) и на контактах их со скалой стволы проходят заходками 1,5–2 м с немедленным возведением постоянной обделки.

При установке временной крепи затяжку делают не сплошную, а с зазорами между досками 5–10 см для наблюдения за состоянием замороженного массива. Временная крепь не должна отставать от забоя более чем на 2 м. Обделку шахтных стволов, проходимых в замороженных грунтах, сооружают из чугунных или железобетонных тюбингов или из монолитного бетона.

При сооружении монолитной бетонной обделки для приготовления бетона применяют глиноземистый цемент или портландцемент марки не ниже 400. Водоцементное отношение бетона должно быть минимальным и не превышать 0,65. Добавка хлористого кальция в размере 1–2% к любым цементам сокращает время его схватывания в 2 раза.

Сочетание высокомарочных цементов с ускорителями твердения, подогрев воды и инертных заполнителей, повышенный расход цемента – все это позволяет получить бетон необходимой прочности.

В замороженной зоне ствола, так же как на земной поверхности в зимнее время, при среднесуточной температуре от 0 до +4°С требуется обеспечить подогрев воды, а бетон – защитить теплоизоляцией путем применения матов из минерального войлока и слоя толя, а также устройством переносных тепляков, пропариванием и электропрогревом бетона. Наиболее целесообразным способом является электропрогрев бетона.

Поверхность ранее уложенного бетона прогревают паром, горячей водой или горячим увлажненным песком (который после отогрева бетона удаляют, а бетонную поверхность обмывают теплой водой), после чего производят укладку следующего слоя бетона.

При большом горном и гидростатическом давлениях применяют обделки специальных конструкций. При значительной мощности водоносных неустойчивых пород и высоком горном и гидростатическом давлениях применяют в качестве обделки чугунные тюбинги с заполнением затюбингового пространства бетоном или в особо сложных случаях двойную (кольцо в кольце) металлическую обделку с заполнением пространства между кольцами бетоном. Для лучшей работы тюбингов и бетона на задней стенке тюбингов делают приливы. В обделках устраивают также битумную изоляцию.

Водонепроницаемость – это важное условие, которому должна удовлетворять шахтная обделка. В замороженной зоне этому требованию в наибольшей степени удовлетворяет тюбинговая обделка. Достаточно плотную и малопроницаемую для воды бетонную обделку можно получить, когда бетонная смесь имеет минимальное водоцементное отношение и обеспечивается максимальное ее уплотнение во время укладки с помощью вибраторов.

В случае агрессивных подземных вод, содержащих растворы минеральных солей и кислот, следует применять сульфатостойкие цементы.

После окончания всех работ по сооружению ствола шахты прекращают пассивное замораживание и производят естественное или искусственное оттаивание грунта. Естественное оттаивание грунта протекает неравномерно, что может привести к одностороннему возрастанию давления на обделку и к ее деформации.

Поэтому целесообразно производить оттаивание грунта искусственным способом с постепенным повышением температуры рассола на 2–3°С в сутки. Максимальную температуру подогретого рассола принимают на 20–50°С выше естественной температуры грунта. За процессом оттаивания грунта осуществляется контроль через одну из замораживающих колонок, не включенную в рассольную сеть. После оттаивания замороженных грунтов приступают к демонтажу холодильного оборудования и рассольной сети и извлечению замораживающих колонок. По возможности необходимо извлечь и обсадные трубы.

После этого скважины тампонируют в водоупорных грунтах глиной, в водоносных – песком и щебнем. При пересечении нескольких водоносных горизонтов и необходимости их разобщения тампонаж в пределах водоупорных пластов выполняется цементным раствором или жирной глиной.

При сооружении стволов шахт в условиях мерзлоты можно также руководствоваться рекомендациями по проходке стволов шахт в замороженных грунтах. При этом оголовник ствола, который располагается в зоне сезонного оттаивания, как правило, сооружают в зимнее время года.

Применение химического закрепления грунтов (силикатизация и смолизация)

Способ закрепления грунтов, основанный на применении растворов жидкого стекла, называют силикатизацией, а способ, который основан на применении раствороворганических смол,– смолизацией.

Работы по химическому закреплению грунтов состоят из забивки инъекторов, подогрева реактивов, нагнетания растворов и извлечения инъекторов.

Инъектор (рис. 6.13) представляет собой колонку стальных бесшовных труб (3) с внутренним диаметром 25– 38 мм. Для облегчения забивки в грунт нижняя часть инъектора снабжена коническим наконечником (5); на высоту 0,5–1 м он имеет перфорированные отверстия (4) диаметром 1–2 мм. Верхняя часть инъектора имеет штуцер (2) для присоединения нагнетательного шланга и наголовник (1) для восприятия ударов при погружении.

Инъектор для химического закрепления грунтов

Рис. 6.13 – Инъектор для химического закрепления грунтов

Инъектор собирают из отрезков труб длиной 1–2 м. Погружают в грунт инъекторы пневматическими отбойными молотками или дизель-молотами копровых установок. Применять вибраторы нельзя в связи с местным уплотнением грунтов. Глубина погружения в песках достигает 10–12 м. При необходимости закрепления грунтов, залегающих на большой глубине, бурят скважины, а затем забивают инъекторы. Закрепляющие растворы, подогретые до температуры +40°С, нагнетают под давлением насосами производительностью 5–10 л/мин.

Применение цементации и битумизации

При проходке ствола шахты в сильнопористых и трещиноватых грунтах наблюдаются большие притоки воды в ствол. В этих случаях трещины и поры, по которым поступает вода через скважины, необходимо заполнять тампонирующим материалом. В зависимости от нагнетаемого в скважины материала различают цементацию или битумизацию. Тампонирование грунта бывает предварительное для проходки ствола и последующее после проходки ствола, служащее для уплотнения обделки или укрепления грунта за обделкой. Тампонажные растворы можно нагнетать через скважины, пробуренные с поверхности земли или из забоя ствола, что определяется на основании технико-экономических расчетов.

Предварительная цементация грунтов. Существуют два способа нагнетания цементного раствора – циркуляционный и зажимной. При циркуляционном способе раствор нагнетается под постоянным давлением, несколько превышающим гидростатическое давление подземных вод, при этом часть раствора, не поглощенная трещинами, возвращается. При зажимном способе весь цементный раствор поглощается грунтом; это требует непрерывного увеличения давления для его нагнетания.

В скальных трещиноватых грунтах, а также гравелистых с крупностью зерен более 2 мм, чистых от песчано-глинистых примесей, при притоке воды до 80 м/сут применяется предварительный тампонаж.

В случае предварительной цементации грунта с поверхности земли (рис. 6.14) вокруг будущего ствола (1) бурят скважины (2), которые должны пересечь грунты (3), подлежащие цементации, и заглубиться в водоупор на глубину 2–5 м. Скважины располагают по окружности диаметром на 4–5 м больше диаметра ствола шахты в проходке на расстоянии 2–3 м одна от другой. При глубине скважины до 100 м диаметр устья скважин принимается 145 мм, а при глубине скважины до 300 м – 269 мм.

Схема предварительной цементации грунта с поверхности земли

Рис. 6.14 – Схема предварительной цементации грунта с поверхности земли

Скважины бурят станками вращательного действия ЗИФ-300, ЗИФ-650 и др. на полную глубину или последовательно на определенную заходку. Чаще цементацию грунтов с поверхности земли проводят зонами, глубину которых определяют для каждых конкретных условий.

В зимнее время грунты, подлежащие цементации, должны иметь температуру не ниже +1°C, а раствора (у устья скважины) не ниже +5°С.

Предварительная цементация грунта из забоя ствола (рис. 6.15) производится на глубину 15–20 м. Предварительно в забое ствола сооружают бетонную (тампонажную) подушку (1), через которую бурят скважины (2), в устье которых устанавливают кондукторы диаметром 108 мм. Если необходимо установить обсадные трубы, диаметр скважины под них принимается 55 мм.

Схема цементации грунта из забоя шахтного ствола

Рис. 6.15 – Схема цементации грунта из забоя шахтного ствола

Тампонажные подушки плоской или сферической формы укладывают, не доходя 2–3 м до водоносных грунтов для предотвращения прорыва воды в ствол.

Тампонажные скважины в забое ствола располагают по окружности диаметром на 0,5–1,0 м меньше диаметра ствола шахты в свету.

Цементационные скважины из забоя ствола бурят перфораторами, буровыми агрегатами или буровыми станками.

При сооружении стволов в зоне зацементированных грунтов сначала разрушают тампонажную подушку, а затем дальнейшие работы производят с применением буровзрывного способа.

С целью сохранения зацементированных грунтов от нарушений следует соблюдать особые меры предосторожности, так, например, глубину шпуров принимать не более 1,5 м, оконтуривающие (периферийные) шпуры бурят вертикально, располагая их от стенки ствола при крепких грунтах не ближе 0,4 м. Величину заряда взрывчатого вещества для грунтов с коэффициентом крепости f = 3÷4 надо принимать до 0,4–0,6 кг/м3, при f = 5÷6 – не более 0,6–0,8 кг/м3 и при f = 8÷10 – не более 0,8–1,0 кг/м3. Шпуры следует взрывать с замедлениями.

Последующая цементация. Она заключается в нагнетании цементного раствора за обделку пройденного ствола через специальные трубки, установленные в обделке.

Последующую цементацию применяют для устранения или снижения притоков воды, поступающей в шахтный ствол, упрочнения обделки, уплотнения и упрочнения грунтов, заполнения тампонажным раствором пространства между обделкой и грунтом.

Последующую цементацию производят в зависимости от гидрогеологических условий и степени деформации обделки. При большой длине ствола шахты ее разбивают на отдельные участки высотой 15–25 м, которые подлежат последующей цементации. Шпуры (скважины) диаметром 60 мм бурят через обделку рядами в шахматном порядке на расстоянии 1,5 м друг от друга на глубину 0,5–1,0 м. Затем в них заделывают направляющие патрубки (кондукторы).

Бурение шпуров и нагнетание тампонажного раствора производят с подвесного полка, а при наличии постоянной армировки – с полков, настилаемых на расстрелах. Для последующей цементации применяют цементно-песчаные, цементно-суглинистые и цементно-суглинисто-песчаные растворы.

Битумизация грунтов. Битумизация применяется в грунтах, имеющих пустоты или трещины размером не менее 3 мм (не заполненные рыхлым материалом), с коэффициентом фильтрации более 80 м/сут.

Предварительную битумизацию грунта производят с поверхности земли или из забоя ствола шахты на всю мощность водоносных трещиноватых грунтов или отдельными заходками.

Работы, связанные с битумизацией трещиноватых грунтов, выполняются в определенной последовательности: бурение скважин, монтаж оборудования скважин, приготовление битума, нагнетание битума в трещины или пустоты грунта.

Серьезным недостатком способа битумизации является то, что битум, будучи даже в твердом состоянии, не теряет своей пластичности, поэтому при определенном внешнем давлении он начинает течь и выдавливаться из трещин. В связи с этим применять предварительную битумизацию для тампонирования трещин и пустот, заполненных водой, при гидростатическом давлении свыше 0,20 МПа не рекомендуется. Можно применять последующую битумизацию для тампонирования трещин и пустот за обделкой ствола.

Применение водопонижения

В результате откачки воды в водоносном пласте образуется депрессионная воронка, вершина которой должна находиться ниже забоя ствола шахты. В этом случае проходка ствола производится в осушенном грунте. Полное осушение достигается лишь в скальных трещиноватых грунтах.

При искусственном понижении уровня подземных вод над водоупорным пластом всегда остается некоторая толща неосушенного грунта. Для ее пересечения стволом необходимо применить другие средства осушения, например, иглофильтры или специальные способы проходки с использованием забивной крепи.

При проходке стволов в этих условиях следует соблюдать дополнительные меры предосторожности – величину участка ствола с временной крепью в неустойчивых грунтах принимать до 3 м; в устойчивых трещиноватых водоносных грунтах в стволе предусматривать резервную водоотливную установку. При подходе забоя к контакту неустойчивых пород с водоупором необходимо применять забивную крепь в сочетании с водоотливом, так как полного осушения водопонижением не достигается.

Как самостоятельный способ искусственное водопонижение при проходке шахтных стволов применяется очень редко.


© 2013 - 2017 Учебно-образовательный портал "Все лекции"
Материалы, представленные на страницах нашего сайта, созданы авторами сайта, присланы пользователями, взяты из открытых источников и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Все авторские права на материалы принадлежат их законным авторам.
Разработка сайта - Скобелев Алексей





Яндекс.Метрика