Проходка ствола шахты в обводненных известняках с применением дренирующей скважины

Главный или скиповой ствол шахты гипсового рудника предполагалось пройти от поверхности до глубины 120 метров способом замораживания, а остальные 30 метров — обычным способом. Замораживанию подверглись: мелкозернистые водонасыщенные пески угленосной толщи мощностью около 40 метров, приближавшиеся по свойствам к плывунам и залегавшие на глубине 50 метров надгипсовые трещиноватые водоносные девонские известняки, мощностью до 25-30 м, залегавшие на глубине 115 м. В 1941 году, в связи с временной оккупацией района, ствол был остановлен в глинах на глубине около 87 метров, на контакте девонских известняков. По данным гидрогеологической разведки и фактически наблюдавшимся водопритокам в вентиляционном стволе этого рудника дебит воды при проходке главного ствола предполагался значительным.

Учитывая, что вентиляционный ствол был уже пройден до проектной отметки, а мелкозернистые пески (плывуны) пересечены скиповым стволом, для восстановления и дальнейшей углубки ствола решили оборудовать вентиляционный ствол клетьевым подъемом, после чего осуществить сбойку обоих стволов на горизонте рудничного двора; в сбойке установить водонепроницаемую перемычку с дверью и системой водорегулирующих задвижек; устроить постоянную насосную камеру с водосборником и смонтировать в ней насос, пробурить дренирующую скважину диаметром 200-250 мм из забоя ствола с глубины 87 м до рудничного двора. Такой способ углубки ствола шахты требовал меньших капиталовложений и был более экономичным.

Подойдя соединительной выработкой к главному стволу, начали разрабатывать его снизу вверх, чтобы обеспечить высоту, необходимую для устройства подъема при проходке ствола ниже рудничного двора. После взрыва очередного комплекта шпуров в толще гипса на высоте 5 м от подошвы рудничного двора в юго-восточной части появилась вода. Учитывая, что первоначальные условия, предшествовавшие затоплению вентиляционного ствола шахты во время аварии в 1941 г., были аналогичны возникшим дальнейшие работы в стволе шахты прекратили до возведения водонепроницаемой перемычки.

Чтобы определить способ проходки скипового ствола ниже рудничного двора, требовалось выявить гидрогеологические условия в подстилающих поро­дах. Согласно проекту, эти породы-доломитизированные известняки — были водоносны, и вода циркулировала в них по редким трещинам. Воды подгипсового горизонта обладали значительным дебитом и напором, а гидростатический уровень их совпадал с гидростатическим уровнем надгипсового горизонта. Появление воды при прохождении ствола шахты ниже рудничного двора, величина водопритока, а также глубина, на которой могла появиться вода, зависели от того, встретит ствол трещину или нет.

Пробуренная в центре ствола на глубину 22 м разведочная скважина показала, что нижележащая толща гипсов и доломитизированных известняков безводна. Наблюдениями за водопротоком из трещины в забое скиповою ствола установили, что дебит его не увеличивается, поэтому, несмотря на то, что оборудование насосной камеры еще не было закончено, и водонепроницаемая перемычка не была установлена, решили вести проходку ствола шахты ниже горизонта рудничного двора. Работа протекала в нормальных условиях. Одновременно с поверхности вели работы по восстановлению устья ствола шахты, извлечению колонн труб из скважин, служивших ранее для замораживания, а также подготовке скважин к цементации.

Нагнетание цементного раствора выявило значительную трещиноватость девонских известняков. Об этом свидетельствовало количество раствора, поглощенного той или иной скважиной. Так, например, скважина № 14 поглотила 61 м3 раствора; скважина № 3-56 м3 из скважины № 4 раствор вышел на поверхность через скважины № 1, 2 и 3; при нагнетании в скважину №16 раствор появился в скважине № 13. Также сообщались между собой скважины: № 1 и 28; № 14 и 17; № 22 и 19; № 24 и 25. Общий расход раствора при цементации через скважины составил около 350 м3. Можно было полагать, что большие трещины в толще девонских известняков заполнились раствором и поэтому водоприток в ствол шахты при проходке будет меньше, чем в вентиляционном стволе.

К началу проходки ствола шахты с поверхности уровень воды находился на кольце № 44, что соответствовало гидростатическому уровню девонских известняков. Работы по восстановлению начали с нагнетания цементного раствора через пробковые отверстия в тюбингах и чеканке швов с подвесного полка. По мере углубления сооружали постоянное лестничное отделение для передвижения рабочих, а спуск и подъем материалов производили посредством крана-укосины и однобарабанной лебедки грузоподъемностью 1,25 т. Проходческий подъем в этот период нельзя было использовать, так как одновременно монтировали постоянный металлический копер.

Чеканка швов тюбингов и нагнетание цементного раствора в тюбинговое пространство позволили ликвидировать приток воды в ствол шахты на участке от поверхности до кольца № 44. Для откачки воды из ранее пройденной части стволу шахты смонтировали в двух подвесных люльках два насоса типа «Комсомолец» производительностью 100 м3/час и напором 120 м. Ручные лебедки, поддерживавшие Насосы, установили в стволе шахты на капитальном полке выше уровня воды. Электроэнергия подводилась кабелем к распределительному щиту, установленному также на полке в стволе шахты. Такая организация работ делала водоотливное хозяйство компактным и высвобождала поверхность у ствола шахты для монтажа постоянного копра.

Откачка воды из этого участка ствола и его гидроизоляция оказались успешными: приток воды в ствол шахты был почти полностью ликвидирован.

Скиповой ствол был закреплен в 1941 году до глубины 87 метров кольцами тюбингов диаметром 5,1 м. В связи с отсутствием тюбинговых колец такого размера, решили крепить ствол шахты кольцами тюбингов диаметром 6 м, изготовляемыми промышленностью. Для этого после откачки ствола шахты до кольца № 100 приступили к уширению и сборке диафрагмы в месте сопряжения, колец тюбингов различных диаметров.

Толща глины, в которой был расположен забой ствола шахты, составляла 2,5 метра но мере разработки она уже не могла противостоять гидростатическому напору вод девонских известняков и была прорвана. Ствол начало затапливать. Насосы с притоком не справились, и их пришлось поднять в исходное положение.

Работы по углубке ствола шахты в девонских известняках предложенным способом можно было продолжать только при наличии дренирующей скважины. В связи с этим параллельно с работами по монтажу оборудования насосной камеры, состоящего из семи насосов типа АЯП суммарной производительностью 1800 м3/час, и сооружению водонепроницаемой перемычки, приступили к бурению скважины диаметром 150 мм из забоя ствола шахты.

Объем водосборника составлял 1200 м3, а объем пройденных выработок — несколько десятков тысяч кубометров. При этих условиях затопление шахты любым притоком воды, который могла пропустить скважина, исключалось.

По окончании бурения скважины, вода устремилась в выработки — заполнила нижнюю часть ствола, который явился своеобразным отстойником, и начала поступать в водосборник, проходя через трубы, заделанные в перемычку, откуда откачивалась насосами на поверхность. Максимальная величина водопритока составила 670 м3/час. После того, как вода из забоя ствола шахты была дренирована скважиной, проходку его возобновили.

В дальнейшем при проходке ствола шахты забой его не затапливало, хотя на кольце № 126 скважина не успевала пропускать всю воду, и пришлось использовать одну из искривленных замораживающих скважин, находившуюся в сечении ствола. По мере углубления ствола шахты и возведения тюбингового крепления производили цементацию тюбингового пространства, вследствие чего в забое отсутствовал капеж. Наиболее трудной оказалась проходка ствола на контакте девонских известняков с глинами. После закрепления этого участка тюбинговыми кольцами и цементации тюбингового пространства поступление воды в ствол шахты снизилось до 5 м3/час.

Выводы

Опыт проходки ствола шахты в сильно обводненных известняках подтвердил техническую и экономическую целесообразность применения дренирующей скважины.

Преимущества этого способа:

1) отсутствие воды в забое ствола;

2) быстрое проветривание забоя после взрывания шпуров;

3) улучшение коэффициента использования шпура, благодаря дополнительной обнаженной плоскости, создаваемой скважиной;

4) возможность применения безопасных аммиачно-селитренных взрывчатых веществ, при пересечении водообильных горных пород вместо более опасных в обращении динамитов;

возможность спускать отбитую породу по скважине на рудничный двор и выдавать ее в вагонетках по клетьевому стволу шахты на поверхность;

5) отсутствие водоотлива из забоя ствола шахты, требующего применения подвесных насосов, сильно усложняющих организацию работ;

6)            повышение производительности труда проходчиков, благодаря улучшению условий работы: отсутствие воды под ногами и капежа сверху, высвобождение времени, необходимого на спуск и подъем насосов, и разработку опережающего зумпфа;

7) возможность совмещения во времени работ по монтажу постоянного копра и надшахтных сооружений с проходкой ствола шахты.

Недостаток способа — это невозможность его применения при отсутствии второго ствола шахты, предварительно пройденного на необходимую глубину.

Несмотря на это, проходка стволов шахт в сильно обводненных породах с применением дренирующей скважины может найти широкое применение в различных отраслях горнорудной промышленности, при строительстве новых и при углубке действующих шахт.

Записи горного дела