Способ ликвидации прорыва воды через вертикальный ствол шахты

Изобретение относится к горному делу и предназначено для ликвидации аварийной ситуации при внезапном прорыве воды. Массив горных пород в окрестности устья ствола обуривают скважинами и оконтуривающими шпурами. Складируют глинистый материал внутри контура. Размещают взрывчатые вещества в скважинах и шпурах и инициируют взрыв. Техническим результатом является сокращение времени и материальных затрат на подготовку к одновременному сбросу негорючего материала. 2 ил.

 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для ликвидации аварийной ситуации при внезапном прорыве воды из погашенных горных выработок верхних горизонтов через вертикальный ствол шахты в действующие выработки нижнего горизонта.

Известен способ ликвидации вертикального ствола шахты, включающий перекрытие сечения ствола полком и засыпку ствола негорючими материалами (Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. М.: Недра, 1974, с.48).

Недостатки известного способа следующие. Поступление больших объемов воды в ствол при внезапном ее прорыве исключает возможность возведения полка для перекрытия сечения ствола. При отсыпке негорючего материала без возведения полка он заполняет зумпф и располагается над зумпфом в виде конуса под углом естественного откоса. На поверхности конуса материал находится в предельном равновесии и попадающий на эту поверхность при дальнейшей засыпке ствола материал легко уносится водным потоком, обладающим большой кинетической энергией. В результате этого весь отсыпаемый материал не задерживается на сопряжении, а выносится водой в выработки нижнего горизонта, что не позволяет перекрыть сечение ствола и ликвидировать внезапный прорыв воды в действующие выработки.

Известен также принятый за ближайший аналог способ ликвидации прорыва воды через вертикальный ствол шахты (патент РФ №2261332, МПК Е21F 5/00, Е21D 11/38, опубл. 27.09.2005, БИ №27), включающий перекрытие сечения ствола раскрывающимся полком, предварительное складирование негорючего материала над полком в объеме, необходимом для одновременного сброса, который определяют из выражения

V=S(l+h+2d)+bh²ctgϕ,

где S - сечение ствола в свету;

l - глубина зумпфа;

h - высота сопряжения у ствола;

d - диаметр ствола в свету;

b - ширина сопряжения у ствола;

ϕ - угол естественного откоса негорючего материала, причем негорючий материал составляют из сыпучей и глинистой частей, которые складируют послойно, а объем глинистой части принимают равным объему пор сыпучей части, кроме того, последующий сброс негорючего материала продолжают в объемах, не меньших объема водопритока.

Недостаток способа - значительные временные и материальные затраты на подготовку к одновременному сбросу негорючего материала в ствол, связанные с изготовлением и установкой специального раскрывающегося полка, а также с добычей, транспортировкой и складированием негорючего материала.

Задачей изобретения является сокращение времени и материальных затрат в период подготовки к одновременному сбросу негорючего материала в ствол.

Для получения необходимого технического результата в известном способе, включающем перекрытие сечения ствола полком, предварительное определение необходимого объема негорючего материала, складирование глинистого материала, одновременный сброс негорючего материала и последующее сбрасывание негорючего материала в объемах, не меньших объема водопритока, предлагается массив горных пород в окрестности устья ствола обурить скважинами и оконтуривающими шпурами, складировать глинистый материал с внутренней стороны контура на поверхности, разместить в скважинах и шпурах взрывчатые вещества и инициировать взрыв, а объем глинистого материала V_г определять из выражения

n - коэффициент остаточного разрыхления разрушенных пород при падении в ствол;

d - диаметр ствола в свету.

Именно перекрытие сечения ствола полком, добыча сыпучей части негорючего материала из горного массива в окрестности устья ствола и складирование глинистой части в объеме, необходимом для создания водонепроницаемой пробки только в самом стволе над сопряжением, обеспечивает сокращение времени и материальных затрат на этапе выполнения работ по подготовке к одновременному сбросу негорючего материала в ствол.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 показан вертикальный разрез массива горных пород в устье ствола с расположением скважин, оконтуривающих шпуров и глинистой части негорючего материала;

на фиг.2 - вертикальный разрез ствола на участке сопряжения его с выработками действующего горизонта после одновременного сброса материала.

Способ реализуется следующим образом. При внезапном прорыве воды в ствол 1 (фиг.1) над его устьем 2 монтируют легкий полок 3 (из балок со сплошным настилом) с ограждением 4. В горном массиве 5 в окрестности ствола 1 бурят скважины 6 и оконтуривающие шпуры 7 с перебуриванием скважин 6 за пределы контура 8 планируемого разрушения пород. Величина перебура скважин назначается с учетом коэффициента использования скважин. Объем разрушения пород и крепи 9 ствола V_м с учетом коэффициента остаточного разрыхления принимается равным объему, необходимому для надежного перекрытия сечения ствола

V_мn=S(l+h+2d)+bh²ctgϕ,

где n - коэффициент остаточного разрыхления разрушенных пород при падении в ствол, n=1,08;

S - сечение ствола в свету;

l - глубина зумпфа;

h - высота сопряжения у ствола;

d - диаметр ствола в свету;

b - ширина сопряжения у ствола;

ϕ - угол естественного откоса обрушенных пород.

Для улучшения условий отрыва горной массы от массива и обрушения ее в ствол угол наклона образующей конуса обрушения от вертикали принимается равным

где ρ - угол внутреннего трения пород горного массива, ρ≈30-35°.

В скважинах 6 и шпурах 7 размещают взрывчатые вещества и средства инициирования (например, электродетонаторы) и собирают электрическую цепь, которую через выключатель подсоединяют к источнику тока. Используют электродетонаторы с замедлением с таким расчетом, чтобы обрушение пород происходило в несколько этапов, развиваясь от крепи ствола в сторону горного массива. Для разрушения полка 3 используют накладные заряды, которые также подключают в общую взрывную электросеть и подлежат взрыванию со скважинами первого этапа (без замедления). После принятия мер по предупреждению нарушения взрывной цепи производят складирование глинистой части 10 негорючего материала с внутренней стороны контура 8 обрушения горных пород на поверхности. Объем V_г глинистой части 10 материала определяют из выражения

где n - пористость сыпучей части (обрушенных пород и крепи створа, уплотненных при падении в ствол).

Замыканием электрической взрывной сети производят взрывание полка, крепи ствола и горных пород в контуре обрушения.

Разрушенные взрывом крепь ствола, полок, горные породы и глинистая часть материала обрушаются в ствол сплошным потоком, при этом благодаря замедлению исключается образование пробки в устье ствола и снижается сейсмическое действие массового взрыва. Глинистая часть материала обрушается вместе с горными породами, примыкающими к контуру обрушения на поверхности и взрываемыми в последнюю очередь, благодаря чему создается водонепроницаемая перемычка 10 высотой 2d (фиг.2) в стволе над сопряжением, которая опирается на сыпучую часть в зумпфе 11, и на сопряжении 12 негорючего материала, полученного взрывом из горных пород, обрушенных в ствол на предыдущих этапах отбойки.

Дальнейшую засыпку ствола негорючим материалом производят после ограждения опасной зоны у контура обрушения путем скреперования.

Пример осуществления способа. При прорыве воды через вертикальный вентиляционный ствол шахты диаметром в свету 4,0 м и площадью сечения 12,6 м водоприток составляет около 300 м³/мин, что создает угрозу затопления нижнего рабочего горизонта. По формуле, приведенной в аналоге изобретения, рассчитывают объем материала, необходимый для надежного перекрытия сечения ствола

Исходя из указанного объема рассчитывают объем пород и крепи ствола, подлежащих разрушению (в массиве)

V_м=V/n=305/1,08=282,4 м³.

Методом последовательных приближений, принимая ρ=30° и соответственно угол при вершине конуса равным определяют диаметр контура необходимого обрушения на поверхности D≈12 м. При известных параметрах зоны обрушения и прочности горных пород и крепи ствола рассчитывают параметры буровзрывных работ по известным методикам (количество и глубину скважин с учетом коэффициента их использования, расстояния между скважинами, необходимый вес заряда взрывчатых веществ, последовательность и величины замедления при взрываний и др.).

В соответствии с разработанным паспортом буровзрывных работ производят бурение скважин и оконтуривающих шпуров, установку взрывчатых смесей и монтаж средств взрывания, после чего производят складирование глинистых пород в объеме

распределив их над частью обуренного массива, взрываемого в последнюю очередь. Взрывание массива производят с замедлениями на десятки миллисекунд сначала скважин, непосредственно примыкающих к стволу (фиг.1), затем скважин 2 и 3-го кольца и в последнюю очередь скважин 4 и 5 кольца и оконтуривающих шпуров. В результате обрушения взорванных горных пород и заскладированных глинистых пород на рабочем горизонте создается водонепроницаемая (непосредственно в стволе) перемычка, опирающаяся на сыпучую часть обрушенных пород.

Таким образом, ликвидируется прорыв воды. Далее ствол засыпается негорючим материалом до земной поверхности с формированием в воронке обрушения водозащитного экрана. Засыпка осуществляется скреперованием пород, разгружаемых на безопасном расстоянии от контура обрушения.

В предлагаемом способе добыча сыпучей части негорючего материала производится непосредственно у ствола, что исключает затраты на транспортировку и сокращает время подготовки к ликвидации прорыва. Кроме того, глинистая часть складируется в меньших объемах, чем в известном способе, что также сокращает временные и материальные затраты.

Способ ликвидации прорыва воды через вертикальный ствол шахты, включающий перекрытие сечения ствола полком, предварительное определение необходимого объема негорючего материала, складирование негорючего материала, одновременный сброс негорючего материала и последующее сбрасывание негорючего материала в объемах, не меньших объема водопритока, отличающийся тем, что массив горных пород в окрестности устья ствола обуривают скважинами и оконтуривающими шпурами, глинистый материал складируют с внутренней стороны контура на поверхности, размещают в скважинах и шпурах взрывчатые вещества и инициируют взрыв, а объем глинистого материала определяют из выражения

где n - коэффициент остаточного разрыхления разрушенных пород при падении в ствол;

d - диаметр ствола в свету.