Способ гидроизоляции крепи шахтного ствола Советский патент 1992 года по МПК E21D1/12 

Изобретение относится к шахтному и подземному строительству и касается гидроизоляции горных выработок, пройденных под защитой ледопородного ограждения.

Известен способ крепления шахтных стволов в искусственно замороженных породах по а. с. 1481411, Е 21 D5/00, включающий установку бетонной крепи с образованием технологических стыков, нагрев замороженной породы до плавления льда, нагнетание в закрепное пространство тампонажного раствора, причем оттаивание замороженных пород производят нагнетаемым тампонажным раствором, содержащим соли соляной кислоты.

Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает равномерность толщины оттаявшего слоя по периметру ствола, что ведет к образованию перекосов в крепи и малоэффективности гидроизоляции.

Наиболее близким к заявляемому, принятым за прототип, является способ гидроизоляции шахтной крепи по а. с. 1372048, Е 21 D 1/12, включающий подачу в ствол, сооруженный под защитой ледопородного ограждения, теплоносителя для оттаивания ограждения, бурение рядов горизонтальных скважин через крепь и нагнетание в них тампонажного раствора, причем оттаявший за крепью грунт вымывают водой, подаваемой под давлением, образуя за крепью замкнутую кольцевую полость, в которую нагнетают -,ьмгонажный раствор

Недостатком этого способа является то, что он не обеспечивает равномерность толщины оттаявшего слоя по периметру ствола, а также не обеспечивает защиту замораживающих колонок так как предусматривает образование произвольно большой высоты вымываемой кольцевой замкнутой полости Это может привести к разрыву замораживающих колонок, заполнению вымытой полости экологически опасным теплоносителем с дальнейшим увеличением неравномерно VI

О

ел

|

OJ

-

сти толщины оттаявшего слоя и снижением эффективности гидроизоляции.

Целью изобретения является повышение эффективности гидроизоляции и обеспечение сохранности крепи в сложных гидрогеологических условиях.

Указанная цель достигается тем, что в способе гидроизоляции крепи шахтного ствола, сооруженного под защитой ледопо- родного ограждения, включающем подачу теплоносителя в замораживающие колонки, бурение рядов горизонтальных скважин в направлении сверху вниз, вымывание водой заходками оттаявшего за крепью грунта с образованием замкнутой кольцевой полости и нагнетание в нее тампонажного раствора, при вымывании грунта регистрируют толщину оттаявшего слоя путем увеличения энтальпии воды до образования по периметру ствола равномерного оттаявшего слоя, при этом высоту заходки этого слоя выбирают, исходя из зависимости:

hb

a-3-0+«X2A(t.e)(f)(1+a).

(1-)(1-m)P x Alm-J -rk)(A+aP)in,n

her

-.1;

где А - коэффициент оттаивания грунта за- крепного массива,

а- коэффициент относительного уплотнения мерзлого грунта при оттаивании, м2/н;

hor - высота оттаявшего слоя ледопо- родного ограждения, м,

Aim - предельный относительный прогиб замораживающих колонок,

Ј- коэффициент условий защемления ледопородного ограждения в пределах зоны вымывания,

m - коэффициент упрочнения мерзлого грунта,

Р - величина горного давления на глубине заходки, н/м2,

a, b - соответственно внутренний и наружный радиусы ледопородного ограждения после вымывания оттаявшего за крепью грунта,

A(t, в) - модуль деформации мерзлого грунта на глубине заходки, н/м ,

гк - наружный радиус крепи шахтного ствола, м.

Для управления высотой оттаивающего слоя ледопородного ограждения и снижения расхода энергии, на уровне стыков слоев пород перед подачей теплоносителя устанавливают горизонтальный слой теплоизоляции,

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана фаза вымывания оттаявшего за крепью грунта, а также тампонажа крепи (в плане); на фиг.

2- то же, разрез А-А (фиг. 1); на фиг. 3 фаза установки слоя теплоизоляции на уровне

стыка слоев пород.

Способ осуществляют следующим образом.

В массиве слабых горных пород, представленных переслаиванием песка 1 и гли- ны 2, формируют с помощью кольцеобразно расположенных замораживающих колонок

3ледопородное ограждение 4 (фиг. 1, 2), проходят шахтный ствол 5, устанавливают крепь 6 ствола 5. Для гидроизоляции крепи

6 оттаивают слой 7 ледопородного ограждения 4, примыкающий к крепи, на толщину

Аот а - гк,

где а - наружный радиус оттаявшего слоя ледопородного ограждения,

гк - наружный радиус крепи.

Оттаивание осуществляют подачей теплоносителя в колонки 3 и подачей теплого воздуха в ствол 5. Поскольку массив горных пород представлен переслаиванием пород

1,2, имеющих различную теплопроводность, оттаивание в радиальном направлении в слоях 1 и 2 идет с различной интенсивностью. Различна интенсивность оттаивания пород также по периметоу ствола вследствие различной исходной температуры мерзлых пород по периметру ствола, различной теплопроводности и т.п. После достижения толщиной оттаявшего слоя заданной величины Лот, измеряют высоту оттаявшего на такую величину слоя h от и по зависимости (1) определяют максимальную безопасную высоту заходки вымывания hB, одновременно прекращая оттаивание на этом горизонте. Затем бурят через крепь 6

горизонтальные скважины 8 на глубину зоны оттаивания, Подачей воды 9 по скважинам 8 вымывают за крепью оттаявший грунт на высоту hB, образуя замкнутую кольцевую полость 10 одинаковой толщины Дот по периметру ствола. Для этого в часть горизон- тальных скважин 8 подают воду с повышенной энтальпией, например теплую подземную воду с больших глубин с температурой + 30°С, совмещая вымывание с оттаиванием тех зон, которые оттаяли по каким-либо причинам на меньшую толщину. Вымытый грунт самопроизвольно вытекает в зону выработки через пробки 11, предварительно вывинченные из крепи 6 в нижней

части зоны вымывания 10. В образованную полость нагнетают под давлением, например до 1 МПа, тампонажный раствор 12 (фиг. 1), образуя кольцевую зону гидроизоляции.

Для управления высотой Н0т оттаивающего слоя ледопородного ограждения 4 и снижения расхода энергии при оттаивании пород с помощью подачи в ствол горячего воздуха на уровне стыков слоев пород 1 и 2 (фиг. 3) перед подачей теплоносителя (например, горячего воздуха) устанавливают горизонтальный слой теплоизоляции, теплоизолируя глинистые породы 2 от песчаных 1. Для этого тампонажный комплекс (фиг. 3), состоящий из бункера для цемента 13, дозатора 14, трубопроводов 15, шахтного полка 16, снабжают горизонтальным слоем теплоизоляции 17, уложенным на настиле 18. Слой 17 укладывают в уровне контакта 19 пород 1 и 2. По мере подъема или опускания полка 16 слой 17 можно перемещать на новую глубину по стволу 5 или же фиксировать на уровне контакта 19 с помощью кронштейнов, укрепляемых на крепи 8 (на фиг. 3 не показано).

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет в сложных гидрогеологических условиях, на большой глубине, в переслаивании пород и др. получать равномерный слой оттаивания, вымывания и тампонажа по периметру ствола в породах с различными теплофизическими свойствами и, тем самым, предохранить ствол от перекосов и неравномерных нагрузок. Способ позволяет также сохранять герметичность замораживающих колонок с экологически опасной жидкостью в период оттаивания и гидроизоляции крепи, обеспечивая экологическую чистоту работ. Кроме того, способ позволяет снизить расход энергии, используемой для оттаивания и гидроизоляции крепи.

Формула изобретения

Способ гидроизоляции крепи шахтного ствола, включающий подачу теплоносителя в замораживающие колонки, бурение рядов горизонтальных скважин в направлении сверху вниз, вымывание водой заходками

0

5

оттаявшего за крепью грунта с образованием замкнутой кольцевой полости и нагнетание в нее тампонажного раствора, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности гидроизоляции и обеспечения сохранности крепи в сложных гидрогеологических условиях, при вымывании грунта регистрируют толщину оттаявшего слоя путем увеличения энтальпии воды до образования по периметру ствола равномерного оттаявшего слоя, при этом высоту заходки этого слоя выбирают, исходя из зависимости

(l+m)/2A(t.)() -m-1(1+a)m

х Aim

hci

где А - коэффициент оттаивания грунта за- крепного массива;

а - коэффициент относительного уплотнения мерзлого грунта при оттаивании, м2/н;

h0T - высота оттаявшего слоя ледопородного ограждения, м;

Ли™ предельный относительный прогиб замораживающих колонок;

Ј - коэффициент условий защемления ледопородного ограждения в.пределах зоны вымывания;

m - коэффициент упрочнения мерзлого грунта;

Р - величина горного давления на глубине заходки, н/м ;

a, b - соответственно внутренний и наружный радиусы ледопородного ограждения после вымывания оттаявшего за крепью грунта, м;

A(t, в) - модуль деформации мерзлого грунта на глубине заходки, н/м2;

гк - наружный радиус крепи шахтного ствола, м.

45

Использование: в шахтном строительстве. Сущность способа гидроизоляции крепи шахтного ствола, он включает сооружение ствола под защитой ледопородного ограждения, оттаивание пород на контакте с крепью, вымывание водой оттаявшего слоя и нагнетание вместо вымытого слоя тампо- нажного раствора, причем увеличивают энтальпию воды, применяемой для вымывания, для получения равномерной по периметру ствола толщины оттаивающего слоя Высоту вымываемого слоя грунта определяют по зависимости, предложенной авторами. На уровне стыков слоев пород предложено устанавливать горизонтальный слой теплоизоляции, что позволяет управлять высотой оттаявшего слоя. 3 ил

Фиг, {

Фиг, Ј

и-Я