Водоизоляция ствола шахты способом битумизации

Борьба с притоками воды при пересечении стволами шахт водоносных пород, а также с поступлением вод через крепление ствола на таких участках в период эксплуатации является сложной технической задачей. В период эксплуатации стволов шахт требуется увеличивать водоотливные средства, кроме того, бетонное и кирпичное крепления разрушаются, за стенками стволов шахт образуются размывы и пустоты, опасные для прочности всего сооружения. Повреждения крепи значительно увеличиваются, если подземные воды агрессивные, т.е. содержат различные соли и др. Особой опасности подвержены стволы шахт, пройденные на калийных и соляных рудниках в легко растворимых и размываемых породах. Одним из распространенных средств борьбы с притоками воды в шахтном строительстве являются способы цементации или глинизации, при которых растворы цемента или глины нагнетаются под давлением в трещины горных пород или за шахтную крепь.

Однако в условиях агрессивных вод применение цементации для водоизоляции эксплуатируемых стволов шахт не оправдывается, так как цемент с течением времени разрушается и первоначальные притоки восстанавливаются. Попытки ликвидировать водопритоки в таких условиях способом цементации приводили либо к временному успеху, либо не давали положительных результатов. Так, например, в стволе шахты № 2 Соликамского калийного комбината с начала его эксплуатации (1930 г.) систематически производятся цементационные работы с затратой значительного количества средств и материалов.

Наиболее показательна в этом отношении попытка зацементировать толщу заиленного галечника с песком, окружающего эксплуатируемый ствол шахты «Сильвин» на Калушском калийном комбинате (Западная Украина). Приток воды в ствол шахты Достигал здесь 75 м3/сутки. Цементация галечника продолжалась безрезультатно в течение нескольких месяцев. Цементный раствор выходил в русло реки Сивки, протекающей в 30ом от ствола шахты. Попытки введения за шахтную крепь бычьего жира (около 2 вагонов) также не дали благоприятных результатов.

Ствол шахты «Сильвин» пройден на глубину 283 м; верхняя часть его до глубины 30 л имеет криволикую форму поперечным сечением 5X2 м в свету и закреплена клинкерным кирпичом на цементном растворе при толщине крепления 60 см. Остальная часть ствола прямоугольной формы того же сечения закреплена сплошным венцевым крепле­нием. За время эксплуатации шахты (с 1914 г.) кирпичное крепление ствола подверглось выветриванию и механическому разрушению. В креплении образовались трещины различных размеров и направлений.

В результате ослабления кирпичной кладки через последнюю в ствол шахты проникала вода, которая, стекая по внешней и внутренней поверхности крепления ствола, попадала за деревянное крепление. Вода увлажнила глинистые породы, через которые пройден ствол шахты, и вызвала их пучение с деформацией крепи, сопровождаемой поломкой расстрелов. Кроме того, через полуразрушенную кирпичную крепь с водой выносились твердые минеральные частицы, в результате чего нарушилось нормальное положение металлического копра высотой 30 м.

С течением времени покрывающие породы пришли в движение, поверхность земли осела, образовав трещины в технических зданиях и сооружениях. Обследовав состояние ствола и учтя безуспешность цементации, техническая комиссия Министерства химической промышленности решила восстанавливать водонепроницаемость шахты способом битумизации. Битумизационные работы, которые осуществлял Государственный институт горно-химического сырья, проводили по проекту и под руководством автора данной статьи, в два приема во время планово-предупредительного ремонта (июль — октябрь 1948 г. и июнь -июль 1949 г.).

Геологический разрез пород: с поверхности земли до глубины 5,5-6,4 м залегает насыпной грунт, состоящий из щебня, кирпича и глинистых сланцев; ниже до глубины 8,15-8,90 м галечник из кристаллических пород в глинисто-илистой массе с содержанием крупнозернистого песка. Ниже аллювиальных отложений залегают разрушенные сланцы с включением ангидрита.

Основным водоносным горизонтом является толща галечника, питающаяся водами рек Сивки, Крапивник, а также Лемницы в периоды высокого стояния воды в них. Дебит этого водоносного горизонта достигает 800-1000 л/мин, причем воды его агрессивные. Вначале создавали водопреграждающую завесу через скважины, пробуренные с дневной поверхности вокруг ствола и прорезавшие толщу заиленных карпатских галечников. Бурение этих 20 скважин глубиной до 16 м вели станками типа КАМ-300. Диаметр скважины был принят следующий: от 0 до 6 м глубины — 140 мм; до 9 ж глубины — 115 мм и до забоя 75 мм.

По окончании бурения скважины в нее вводили трубу диаметром 50 мм, верхняя часть которой была глухой, а в зоне галечниковой толщи (подлежащей битумизации) и ниже — имела отверстия диаметром 10 мм, расположенные в шахматном порядке на расстояниях 100 мм одно от другого. На глубинах 5,7-6,6 м от поверхности земли в скважинах устраивали тампон. Пространство между внешней стенкой трубы и породой заливали цементным раствором.

В связи с выявленной в процессе бурения заиленностью галечниковой толщи возник вопрос о предварительном ее размыве, т.е. освобождении галечника от глинисто-илистой массы для последующего заполнения освобожденного пространства нефтебитумом. Промывку толщи водой через каждую из 20 скважин вели непрерывно насосом типа Е в течение до полутора суток при давлении воды 3-4 ат и заканчивали ее при самоизливании осветленной воды из соседних скважин или значительном подъеме уровня воды в них (на 2,3-4 м).

Во время промывки неоднократно отмечалось увеличение притока воды в ствол шахты. В этих случаях в приемном баке растворяли краситель-метилоранж, который улавливался в стволе и позволял судить о путях прохождения воды, выявляя дефектные места крепления. Применявшийся обычно инъектор имел ряд конструктивных недостатков, вызывавших неполадки в процессе работ, что приводило к замыканию и размыканию электроцепи в скважине. В результате этого электропрогрев скважины частично или на всю глубину прекращался, и битумизируемые. породы на этом участке не приобретали противо- фильтрационных свойств.

Учитывая это, мы переоборудовали существующую битумизационную установку, использовав отечественное недефицитное оборудование (заменив насос Деминг — насосом типа Е, группу понизительных бронированных трансформаторов — сварочным трансформатором с регулятором! и др.), а также совместно с Б. Н. Хилькевичем создали новую конструкцию оборудования скважины с электропрогревом, полностью устраняющую указанные недостатки и позволяющую применять электропрогрев на поверхности и в подземных условиях.

Для выявления эффективности работы электро- прогревательного элемента устройства-инъектора и интенсивности прогрева битума изготовили экспериментальный лоток, в который поместили смонтированный электропрогревательный элемент длиной 2150 мм, после чего лоток залили нефтебитумом марки III. Питание элсктропрогревательного элемента осуществлялось от сети напряжением 220 в,

через сварочный трансформатор СТ-2 и ступенчатый дроссель. В лотке на определенных расстояниях от оси испытываемого элемента (от 15 до 100 мм) установили 5 термометров.

Исследования проводили в неотапливаемом помещении при температуре наружного воздуха и начальной температуре битума + 17° С.

Через 30 мин. после включения тока битум в лотке расплавился, температура его на расстоянии 50 мм от электропрогревательного элемента достигала 160°, а на расстоянии 100 мм 106°; через 1 час температура на расстоянии 50 мм достигла 171, а на расстоянии 100 мм 130°, через 1 ч. 4 м. размеры расплавленной зоны битума по поверхности достигли 260 мм, а в глубину 140 мм.

Сердечник в свободной части (вне лотка) имел светломалиновый цвет. Нагар и накипь на поверхности электропрогревательного элемента отсутствовали.

Исследования показали, что:

1)            конструкция электропрогревательного элемента устройства-инъектора обеспечивает интенсивное расплавление битума и может быть использована для битумизационных работ;

2)            электропрогревательный элемент прост в монтаже и демонтаже, безотказен и безопасен в работе;

3)            в испытываемой конструкции электропрогревательного элемента ликвидированы замыкания и размыкания электроцепи;

4)            незначительный диаметр электропрогревательного элемента (17 мм) позволяет уменьшить диаметр битумизационной скважины с 100 до 30— 40 мм; скважины можно бурить перфораторами тяжелого типа вместо громоздких буровых станков, что имеет большое значение при битумизационных работах в подземных условиях.

В качестве тампонажного материала были использованы некондиционные нефтебитумы.

В оборудованные электропрогревательными элементами скважины через устройство-инъектюр при соответствующем давлении насосом нагнетался нефтяной битум, предварительно расплавленный до высокой температуры в котле. Учитывая физико- механические свойства нефтебитумов, битумизацию скважин производили в 3-4 цикла.

Попадая в каналы, образованные водотоками в породах, через которые ранее поступала вода в ствол шахты, и созданные в результате размыва галечниковой толщи, битум отжимал воду, застывал, становился плотным и способным выдерживать напор воды.

При битумизации галечниковой толщи битум через некоторые скважины выходил на дневную поверхность, что указывало на одновременное заполнение части покровной толщи, состоящей из насыпного грунта. В этих случаях нагнетание прекращали на 0,5-2 часа, в течение которых битум в породе успевал застыть. После этого процесс возобновляли, увеличив число циклов (до 5-8) и перерывы между ними, но уменьшив продолжительность циклов. По мере нагнетания битума, давление постепенно повышали.

Продолжительность отдельных циклов колебалась от 1,5 до 7,5 час. Средняя продолжительность нагнетания битума в одну скважину составила 30 час, а общий расход битума — 36,7 т.

В результате проведенных работ водоприток в ствол шахты снизился с 75 до 33 м31сутки. Это обеспечило возможность работ по водоизоляции крепи в стволе шахты. Во- доприток в ствол шахты в зоне забитумизированной галечниковой толщи полностью прекратился. Остаточный приток воды в объеме 1,4 м3/час поступал в ствол шахты через кирпичное крепление на глубине значительно ниже толщи забитумизированных пород.

Началу битумизационных работ по водоизоляции крепления из ствола шахты предшествовало бурение в лестничном отделении контрольных шпуров, расположенных на глубине 12-29 м от поверхности. В связи с тем что вода поступала на участке, расположенном на глубине до 19 лот поверхности земли с глубины 19,3 м, через кирпичное крепление пробурили 8 рядов шпуров. В каждом ряде по периметру ствола пробуривали от 9 до 14 шпуров диаметром 35 мм и глубиной 1,2 м под углом 45° к горизонту. Первый ряд шпуров (на глубине 19,3 м) рассматривался как основной водопреграждающий пояс.

Шпуры бурили перфораторами с промывкой водой. Параллельно с бурением шпуров производили их монтаж. В шпур вводили отрезок трубы 1 диаметром 18 мм у длиной 0,93 м с тампоном 2 из расчаленного пенькового каната, закрепленного проволокой 3 на расстоянии 0,2 м от его конца. Свободный конец проволоки пропускали через трубу и выводили в сгвол шахты. После установки трубы тампон подтягивали через проволоку, а пространство, образовавшееся между внешней стенкой трубы и стенкой шпура, заливали раствором пуццоланового цемента. После затвердения цементной пробки 4 (в течение 6-8 час.) труба оказывалась закрепленной в шнуре. Верхний конец трубы выходил в ствол шахты на 0,125 м.

Перед началом битумизации шпур в течение часа промывали водой, из шприца при давлении до 4-5 ат. Промывку шпура заканчивали после выхода осветленной воды из промываемого или соседнего шпура. Во время промывки наблюдались вывалы породы в шпур. В таких случаях промывку водой на время прекращали, шприц извлекали и в шпур вводили металлический стержень для расчистки. После расчистки шпура промывку возобновляли.

Установка для битумизации шпуров состояла из следующего оборудования: двух котлов, установленных на поверхности, в которых выпаривали и плавили битум; ручного гидравлического насоса для нагнетания битума с бачком емкостью 40 л. Для прогрева битума к днищу бачка была приварена топка, в которой сжигался древесный уголь. Нагнетательный патрубок насоса соединялся с трубой шарнирным соедине­нием. Насос устанавливали на переносных рабочих полках в стволе шахты. Битум нагнетали в течение одного цикла беспрерывно при среднем давлении 7-8 ат. Нагнетание заканчивали лишь при выходе битума из другого смежного или близко расположенного шпура или же при постоянном давлении 10-15 ат в течение 10-15 мин.

В результате нагнетания нефтебитума в шпуры и принятого порядка битумизации (восходящими зонами, через одну, рассматривая промежуточные как контрольные) за креплением ствола создавались водозащитные горизонтальные пояса. Верхним рядом шпуров (на глубине 7,5 м от поверхности) прилегающие к стенке крепи боковые породы оказались изолированными от грунтовой воды.

Для контроля за водонепроницаемостью крепления ствола на глубинах 25,8 и 29 ж пробурили два дополнительных ряда шпуров, которые оказались совершенно сухими. Одновременно с этим часть пробуренных контрольных шпуров в рядах 2, 4, 6, через которые в процессе битумизации соседних шпуров фонтанировала вода, к моменту окончания битумизации оказалась осушенной.

Общий расход битума составил 22,9 т. — Приток воды в ствол шахты, замеренный по окончании битумизационных работ на глубине 30 и 108 м от поверхности земли, составил 1,5 м3/сутки. Таким образом водоприток снизился на 96% от первоначального, и была достигнута водонепроницаемость основного эксплуатационного ствола шахты, что ликвидировало разрушение ствола и обеспечило дальнейшую нормальную эксплуатацию шахты.

Битумизационные работы с применением новой техники были выполнены за 4 мес. при расходе 60 т некондиционного нефтебитума и стоимости работ 150 тыс. руб. (для осуществления же ранее принятого решения — закрыть ствол шахты и проходить новый — потребовалось бы два года при больших затратах). На основе полученного опыта начаты подготовительные работы по восстановлению бодонепроницаемости основной эксплуатационной шахты Соликамского калийного комбината методом битумизации.

 

 

 

Записи горного дела