2.1. Способы проходки ствола и условия их применения
Известны два основных способа проходки С.ш. — обычный и специальный.
Способ проходки выбирают на основании анализа горногеологических и гидрогеологических условий залегания шахтного поля в месте заложения С.ш. и технико-экономического сравнения альтернативных вариантов.
Обычный способ проходки С.ш. применяют в породах I—III категорий устойчивости (по классификации СНиП. Нормы проектирования подземных горных выработок).
Отличительной особенностью этого способа является ведение проходческих работ без предварительного водоподавлення или упрочнения вмещающих пород.
В СССР этим способом проходят С.ш., в основном, с помощью буровзрывных работ и в отдельных случаях — проходческими комбайнами типа СК в породах с коэффициентом крепости по шкале проф. М. М. Протодьяконова f≤10.
К специальным способам проходки С.ш. относят проходку способом искусственного замораживания горных пород, с применением тампонажа горных пород, с водопонижением, применением опускных сооружений и др.
К специальным способам проходки относят также бурение С.ш. и скважин большого диаметра.
С.ш. в породах IV категории устойчивости независимо от величины ожидаемого притока воды проходят специальными способами, обеспечивающими повышение устойчивости и водопроницаемости горных пород.
При проходке С.ш. в породах I—III категорий устойчивости при суммарном притоке воды в ствол более 8 м3/ч все водоносные горизонты, породы которых поддаются тампонажу, предварительно тампонируются из забоя или с поверхности. В случае если водоносные породы не поддаются тампонажу, то применяют водонепроницаемые крепи.
Специальные способы проходки стволов (замораживание, тампонаж, водопонижение и проходка стволов способом бурения) приведены в разделах 14, 15, 16 и 18.
Опускные сооружения для проходки С.ш. применяют при пересечении рыхлых и неустойчивых пород, в том числе с включением крепких пропластков в неводоносных породах, а также в аналогичных водоносных породах при наличии гидростатического давления не более 0,1 МПа.
Их используют, как правило, в комплексе с мерами по ограничению притока воды в ствол — водопоннженнем.
К опускным сооружениям относят опускные крепи, опускные колодцы и вертикальные щиты.
2.2. Перечень и состав основных геологических и гидрогеологических исходных данных
Требования к исходным данным для проектирования и строительства стволов, проходимых обычным способом. Генеральная проектная организация, разрабатывающая проект строительства нового (или реконструкцию действующего) горного предприятия, или эксплуатационное горное предприятие обеспечивает специализированную организацию, проектирующую сооружение С.ш., необходимыми исходными данными, в состав которых в обязательном порядке должны входить следующие сведения:
- географическое и административное положение месторождения полезного ископаемого и участка, где намечена проходка С.ш., рельеф поверхности, гидрографическая сеть района, местные климатические условия;
- экономическое положение района, транспорт, энергетическая база, источники водо- и теплоснабжения, наличие местных строительных материалов, пригодных для ведения работ;
- геологическая и гидрогеологическая характеристика пород, пересекаемых проектируемым стволом; влияние буровзрывных и горных работ;
- основные положения проекта организации и очередности строительства надшахтных зданий и сооружений в увязке с организацией и необходимым сроком сооружения ствола.
Геологическую и гидрогеологическую характеристику участка работ составляют на основании:
- заключения об условиях проходки С.ш. по результатам бурения и исследования контрольно-технической скважины, которую следует бурить за пределами сечения ствола, но не далее 15 м от его центра, а при наличии специального обоснования — в пределах сечения ствола;
- геологических отчетов по результатам геологоразведочных работ;
- геологической документации, полученной при проходке и эксплуатации близлежащих горных выработок.
Геологическое заключение по контрольно-технической скважине содержит проектный разрез по С.ш., прогноз газовых условий, выбросоопасности углей и вмещающих пород. В контрольно-технической скважине проводят термометрию.
Геологическая характеристика участка работ включает следующие основные разделы: стратиграфию, тектонику, литологию. Стратиграфические и тектонические данные сложения массива горных пород, а также данные об их литологнческом составе устанавливают, в основном, по скважинам, размещенным вблизи мест расположения намечаемого для прохождения С.ш Эти данные контролируют и уточняют геологическими работами инженерных изысканий. Указанные данные содержат привязанные к маркшейдерской сети параметры залегания (глубину, мощность, угол падения, азимуты простирания, выдержанность) всех литологически различающихся пластов, слоев и других морфологических элементов, а также сведения о подработке породного массива, его сдвижениях и деформациях.
Литологическую характеристику пород дают для пластов (слоев) в интервале и с детальностью, указанными для стратиграфических и тектонических данных. Тщательно и подробно устанавливают параметры залегания, а также вещественный состав и структурную нарушенность слабых слоев и прослоев, склонных к выдавливанию и пучению, а также контактов морфологических элементов с малой степенью связности (зеркала скольжения, трещины, разрывы и др.).
Детальное изучение физико-механических свойств и структурной нарушенности пород для вертикальных контрольно-технических скважин выполняют по всему интервалу бурения. Для всех изученных слоев, пластов, прослоев и прочих морфологических элементов выполняют механические испытания керновых проб и устанавливают средние сопротивления пород одноосному сжатию в естественном состоянии, а также прочность на разрыв и излом, пористость, плотность, естественную влажность, коэффициент сцепления, угол внутреннего трения, модуль упругости, коэффициент Пуассона. Данные о структурной нарушенности горных пород устанавливают по их керну в различных интервалах. Характеристику горных пород дают с обязательным выделением трещиноватых, закарстованных, а также тектонических и нарушенных зон.
Горные породы, слагающие геологический разрез, характеризуются следующими показателями:
- категорией буримости для всех выделенных разновидностей горных пород согласно утвержденной классификации;
- трещиноватостью и пористостью горных пород.
Прогноз газового режима проходки ствола проводят по данным опробования угольных пластов керногазонаборннками из контрольно-технической и соседних скважин, пробуренных в период разведки и доразведки шахтного поля, материалов о фактической газообнльности горных выработок шахты по результатам плановых замеров и сведений о газопроявлениях из угольных пластов и вмещающих их пород.
Для оценки выбросоопасностн пластов выполняют комплекс специальных работ по опробованию и лабораторным исследованиям. На основании полученных данных определяют комплексный показатель выбрэсоопасности. Определение выбросоопасности пород производят на основании кернового материала контрольно-разведочного бурения.
Для определения силикозоопасностн определяют метраж проходки по породам с содержанием свободного диоксида кремния более 10 % в разрезе проектируемого С. ш.
Для нахождения температур пород в контрольно-технической скважине по всей ее длине проводят запись термограммы по существующей методике геофизических исследований.
Гидрогеологические данные устанавливают, в основном, по имеющимся материалам геологической разведки по сетке скважин. Эти данные уточняют по результатам дополнительных гидрогеологических работ в скважинах инженерных изысканий.
Гидрогеологические данные содержат сведения о расположении и мощности водоносных горизонтов, степени обводненности пород в местах предполагаемого размещения проектируемого ствола, гидростатических и гидродинамических напорах, характеристике химической агрессивности вод, расположении и характеристике водоупоров, об условиях питания и дренажа водоносных горизонтов, о показателях их фильтрационной способности и связи с поверхностными водотоками и водоемами, расположении и характеристике карстов и плывунов.
Криологические данные содержат сведения о расположении, конфигурации и размерах многолетнемерзлых частей массива горных пород, характеристике их льдистости и влажности и показателях механических свойств при оттаивании и замораживании, показателях теплопроводности пород массива, сведениях о тепловом поле и геометрическом градиенте, характеристике изменения границ промерзания в результате действия сезонно-климатических и гидрогеологических факторов.
Требования к исходным данным для проектирования и строительства стволов, проходимых специальными способами. Инженерно-геологические и гидрогеологические изыскания для проектирования специальных способов проведения С. ш. производят в соответствии с требованиями глав СНиП по инженерным изысканиям для строительства и по нормам проектирования подземных горных выработок.
Для проектирования способа искусственного замораживания генпроектировщик представляет следующие исходные данные:
- физико-механические характеристики пород в естественном состоянии (удельную и объемную плотность, угол внутреннего трения, прочность на одноосное сжатие, модуль деформации, коэффициент Пуассона);
- физико-механические характеристики пород в замороженном состоянии (прочность на одноосное сжатие, модуль деформации и коэффициент Пуассона или параметры нелинейной деформации при температурах, охватывающих диапазон ожидаемых средних температур ледопородного ограждения);
- теплофизнческне характеристики пород в естественном и замороженном состояниях (теплоемкости и коэффициенты теплопроводности при естественной влажности, температура льдообразования, степень минерализации и солевой состав вод);
- естественные температуры пород во всех водоносных горизонтах;
- направления и скорости фильтрации подземных вод в районе проектного положения С.ш.
Для проектирования проходки С. ш. с применением тампонажа горных пород, в дополнение к вышеприведенному, представляют следующие исходные данные:
- ситуационный план поверхности;
- план горных работ (если тампонаж будет проводиться в районе разрабатываемого или отработанного шахтного поля);
- мощность и пространственное расположение стратиграфических горизонтов;
- характеристику основных элементов тектоники участка;
- общую и активную пористость водоносных горизонтов;
- скважность или трещинную пустотность горных пород;
- трещинную анизотропию горных пород;
- число и элементы залегания систем трещин;
- средние величины раскрытия трещин в каждой системе;
- максимальное раскрытие трещин горных пород;
- степень и характер заполнения трещин природными материалами;
- прочность пород водоносных горизонтов на срезывание;
- коэффициенты однородности прочности водоносных пород, подстилающих и покрывающих их водоупоров;
- категорию по бурнмостн пород, слагающих стратиграфический разрез по стволу;
- глубину залегания и мощность водоносных горизонтов;
- мощность и глубину залегания водоносного горизонта;
- напор подземных вод (пластовое давление);
- коэффициенты проницаемости и фильтрации;
- коэффициент трещинной анизотропии горной породы;
- прогнозные (ожидаемые) притоки воды;
- направление движения подземных вод;
- химический анализ подземных вод.
Глубину залегания водоносных горизонтов в геологическом разрезе, их мощности, гидродинамические и фильтрационные параметры устанавливают на основании расходометрическнх уровней в контрольно-технической скважине.
Химический состав и агрессивность подземных вод необходимо характеризовать следующими показателями: жесткостью, величиной водородного показателя, степенью минерализации, степенью агрессивности по отношению к металлам и цементам.
При проектировании водопонижения должны быть следующие исходные данные, характеризующие природные условия района:
- инженерно-геологическое строение массива горных пород и их физико-механические свойства;
- водоносные горизонты, оказывающие влияние на проведение горных выработок;
- условия их питания и дренажа, взаимосвязи между ними, показатели их фильтрационных свойств (коэффициенты фильтрации, пьезопроводности, уровнепроводности и водоотдачи пород с учетом их возможной неоднородности, коэффициенты перетекания, а для трещиноватых или закарстованных пород — фильтрационные характеристики трещиноватости, зон дробления и закарстованности);
- геологические разрезы и профили на участке работ в пределах распространения водоносных горизонтов до областей питания и дренажа, на глубине до основного породоупорного пласта;
- распространение водоносных горизонтов с указанием рельефа их кровли и почвы, а также гидроизогипс или гидроизопьез водоносных горизонтов;
- топографический план площади проектируемых горных выработок в масштабе 1:200 или 1:5000;
- проводившиеся ранее на участке строительства гидрогеологические исследования и водопонижение;
- проектируемые водные объекты в районе строительства подземных горных выработок, их размещение и основные параметры;
- химический состав и температура подземных вод, условия их сброса в открытые водоемы;
- химическая агрессивность вод в отношении бетонных и стальных конструкций; места заложения стволов, их глубины, диаметры, виды крепи, способы и сроки проходки, отметки заложения подземных горных выработок, их трассировка, сечения, виды крепи, календарные графики горнопроходческих работ, категории выработок по газу, технология проходки.
В случае отклонения результатов гидрогеологических изыскании и опытно-эксплуатационного водопонижения от данных, принятых в качестве исходных при проектировании, предусматривают корректировку проекта.
К разработке проекта проходки С.ш. щитовым способом с вод о понижением приступают после указанных ранее исходных данных с учетом следующих дополнительных сведений:
- ожидаемых притоков подземных вод к водопонижающему контуру;
- остаточных притоков подземных вод в ствол после предварительного водопонижения;
- положения скважин, ранее пробуренных на напорные водоносные горизонты, залегающие ниже участка проходки ствола щитовым способом.