Защита горных выработок от затопления

Существует несколько вариантов защиты горных выработок от затопления водой из подработанных водных объектов или соседнего затопленного рудника:

1. Оставление рудного (породного) барьерного целика между действующими выработками и водным объектом. Толщина целика определяется расчетным путем с учетом гидростатических напоров, воздействующих на целик, прочностных и деформационных свойств пород (руд), их трещиноватости и фильтрационных характеристик. Недостаток этого варианта в том, что в рудном барьерном целике оставляют значительное количество полезного ископаемого в виде потерь.

2. Изоляция действующих выработок от возможных прорывов воды путем сооружения водонепроницаемых перемычек.

Второй вариант более предпочтителен, так как он более экономичен и позволяет более оперативно управлять технологическими и водозащитными процессами.

Водонепроницаемые перемычки бывают сплошные (глухие) и с герметическими дверями. И те и другие конструктивно выполняются клинчатыми и безврубовыми.

Особенность клинчатых перемычек в том, что они своими боковыми (коническими) гранями опираются на массив горных пород, что позволяет им работать на сжатие и на срез. Клинчатые водонепроницаемые перемычки бывают одно- и многоступенчатые (рис. 9.11). Последние применяют при больших гидростатических давлениях подземных вод или в случае, когда длина одноступенчатой клинчатой перемычки больше 3 м.

а)

б)

Рис. 9.11. Одноступенчатая (а) и многоступенчатая (б) клинчатая водонепроницаемая перемычка: 1 — дренажная труба; 2 — задвижка

К достоинствам всех вариантов клинчатых перемычек относятся их большая надежность и устойчивость при действии гидростатических давлений воды и меньшая толщина по сравнению с безврубовыми. Недостаток их — высокая трудоемкость сооружения, особенно в условиях больших притоков воды, и сложность сооружения в эксплуатирующейся (например, транспортной) выработке. Кроме того, клинчатые перемычки целесообразно сооружать в породах крепких и средней крепости.

Если породы, где предстоит соорудить водонепроницаемую перемычку, не допускают необходимых обнажений, при больших водопротоках и ограничении по времени сооружения, то выбирают безврубовую конструкцию перемычки (рис.9.12).

Рис. 9.12. Безврубовая прямоугольная водонепроницаемая перемычка.

Безврубовые перемычки по внешнему контуру соприкасаются с поверхностью горной выработки, поэтому они оказывают сопротивление действию давления воды за счет сил сцепления боковой поверхности с поверхностью горных пород.

Эта конструкция перемычек менее надежна в работе, имеет меньшую устойчивость и сопротивляемость давлению подземных вод. Однако она более экономична и дает возможность в короткие сроки изолировать горные выработки от затопления, особенно при неустойчивых породах.

В зависимости от ожидаемого гидростатического давления и, конструкции перемычек их толщина может быть от 2—3 до 25 м.

Конкретные размеры водонепроницаемых перемычек требуемой прочности определяются расчетом. Среди предложенного ряда методов расчета перемычек простотой и логичностью отличается метод Е.П. Калмыкова [Калмыков Е.П. Борьба с внезапными прорывами воды в горные выработки. – М.: Недра, 1973]. По этой методике расчет клинчатых перемычек производят на статическую прочность на сжатие и срез, а также на допустимую водопроницаемость.

В основу расчётной схемы положены предположения, что под воздействием гидростатического давления Рперемычка стремится сдвинуться вдоль оси выработки. Этому сдвигу препятствуют силы реакции горных пород Q при распоре перемычки на них. Если пренебречь собственной массой перемычки, то тогда толщина клинчатой перемычки может быть определена зависимостью:

(π/2 + 1) а + 2b₁⌠4 λ P_г а (b₁ + π а/8) (π/2 + 2)│

В = ---------------------- │√------------------------------------ + 1│,(9.21)

2 (π/2 + 1) tgα│m σ_сж [(π/2 + 1) a + 2b₁]²⌡

где а — ширина выработки, м; b₁ — высота выработки от почвы до пяты свода, м; Р_г — интенсивность гидростатической нагрузки, т/м²; α — угол наклона боковых граней перемычки, градусы; σ_сж — предел прочности бетона на сжатие, т/м²; λ = 1,2 ÷ 1,3 — коэффициент перегрузки; m= 0,5 + 0,6 — коэффициент условий работы.

Расчет безврубовых перемычек производят на устойчивость и водопроницаемость. Безврубовая прямоугольная водонепроницаемая перемычка находится под воздействием гидростатического давления воды Р, которая стремится сдвинуть перемычку вдоль оси горной выработки. Этому сдвигу препятствуют силы сцепления Fперемычки с окружающими породами. Предельное равновесие перемычки описывается зависимостью.

Σ Х = Р – F = 0.(9.22)

Гидростатическое давление воды Р может быть выражено:

Р = λ Р_г S_п,(9.23)

где S_п — площадь поперечного сечения выработки вчерне, м².

На основании зависимостей (9.22) и (9.23) получена формула для расчета толщины Вбезврубовой перемычки:

λ Р_г S_п

В = ----------,(9.24)

m τ_с П

где τ_с — сцепление бетона с породами, т/м² (в СИ измеряется в кН/м²); можно принимать τ_с = (0,7 + 0,8) τ_б; τ_б – сцепление в бетоне, т/м², П — периметр горной выработки.

Считая, что просачивание воды через бетон происходит по закону Дарси, а также принимая, что практически перемычку можно считать водонепроницаемой, если через нее просачивается воды не более 0,5 м³/сут., зависимость для расчета водонепроницаемости любой бетонной перемычки представляется в виде:

В = 48 k H₀ S,(9.25)

где k— коэффициент водопроницаемости бетона (коэффициент фильтрации), который можно принять равным k = 0,000015 + 0,000035 м/ч); Н_о— давление воды, м/м³; S — площадь сечения выработки, м².

Окончательная толщина перемычки принимается наибольшей из полученных по (9.21) и (9.25) или (9.24) и (9.25).