способ ликвидации прорыва воды через вертикальный ствол шахты

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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)+bh²ctg ,

где S - сечение ствола в свету;

l - глубина зумпфа;

h - высота сопряжения у ствола;

d - диаметр ствола в свету;

b - ширина сопряжения у ствола;

- 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)+bh²ctg ,

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;

- 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 - угол внутреннего трения пород горного массива, 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 м ³.

Методом последовательных приближений, принимая =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.