Министерство угольной промышленности СССР
Государственный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и проектный институт угольной промышленности (Укрниипроект)
Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт охраны окружающей природной среды в угольной промышленности (ВНИИОСуголь)
ВРЕМЕННЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЗАВЕС НА УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗАХ
Пермь
1984
Министерство угольной промышленности СССР
Государственный научно-исследовательский, проектно-конотрукторский н проектный институт угольной промышленности (Укрннипроект)
Всесоюзный научно-исследовательский н проектно-конструкторский институт охраны окружающей природной среды в угольной промышленности (ВНИИССуголь)
УТВЕРХДЕНО Начальником Управления охраны природы Минуглепрома СССР тов. Г.Г.Вознюком 12 ноября 1982 года
ВРЕМЕННЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЗАВЕС НА УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗАХ
Пермь
1984
- ID -
сок, глину, суглинок. Желательный является добавка к цементам высококодлоидалышх бентонитовых глин, которые придают растворам тиксотропные свойства.
В каждом конкретном случае цементационные растворы следует подбирать на основе индивидуальных исследований с учетом химического состава и агрессивности подземных вод. Избыток цемента в гидротехническом бетоне вреден, так как ведет к росту усадки и термическому образованию трещин, а следовательно, и к нарушению водонепроницаемости ПФЗ.
Крупный заполнитель должен иметь разнофракционный состав, что уменьшает пористость и повышает качество бетона. Крупный и мелкий заполнитель должен соответствовать ГОСТу "Заполнители для тяжелого бетона".
1.2.6. Во всех случаях для определения коэффициента фильтрации заполнителя ПФЗ должны проводиться тщательные лабораторные исследования.
2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СООРУЖЕНИЯ ПФЗ
На современном этвпе развития народного хозяйства страны для сооружения ПФЗ с целью защиты от притоков подземных вод и охраны окружающей среды при открытой добыче угля могут быть использованы следующие способы создания ПФЗ:
- буровой;
- свайный;
- траншейный;
- щелевой;
- инъекционный;
- криогенный;
- с применением энергии вэрыва.
Под способом сооружения ПФЗ подразумевается последовательность технологических операций по сооружению полости узкой глубокой траншеи, блока скважин или другой преграды, ограждающих защищаемый участок^и заполнению полости завесы водонепроницаемым и слабопроницаемым материалом.
-II-
Выбор механизмов и технологии для сооружения ПФЗ зависит от ширины, глубины и длины завесы, её формы и размеров в плане, конструкции ПФЗ, крепооти и устойчивости перекрываемы! пород, их влажности, наличия в породах твердых включений и 1.Д.
2.1. ПФЗ, сооружаемые буровым способом
2.1.1. ПФЗ сооружаются станками УКС-22, УКС-ЗОМ, БС-1М (ударного бурения) и У 15-ЗАМ (вращательного), УКС-22-0П, УКС-ЗОМ-ОП (ударного и вращательного). Техническая характеристика станков ударного действия и УН5-ЗАМ приведена в табл. 2.1 /12, 35/.
Таблица 2.1
Техническая характеристика буровых станков ударного бурения и УН5-ЗАМ
Техническая !ьш- ! Буровые станки
характеристика 1ница ! I С г
1изме-1УКС-22М I БС-IM 1УКС-30М 1У1Б-ЗАМ I рения I I 1 I
_1 1_!_I_1
|
Глубина бурения |
м |
ЗОО |
300 |
500 |
|
Дивметр скважины, иирина траншеи |
м |
0,5-0,6 |
0,4-0,5 |
0,4-0,9 |
|
Мощность электродвигателя |
кВт |
20 |
55-75 |
60 |
|
Маоса бурового снаряда |
кг |
1300 |
2000;
3000 |
2500 |
|
Высота подъеме бурового снаряда над забоем |
м |
|
|
0,5-1,0 |
|
Число ударов бурового снаряда за I мин. |
|
40-45-50 |
48-52 |
40-45-50 |
|
Скорость подъема бурового инструмента |
м/с |
1,1-1,5 |
0,9 |
1,1-1,4 |
|
Продолженме таолицы 2.1 |
|
Техническая I |
Буровые станки |
|
|
ларбктерисхйка \ jрения| |
УКС-22 1 ! |
БС-1М |
!укс-зом
1 |
“1
1УРБ-ЗАМ
1 |
|
Высота мечты до оси м
инструментального
блока |
12,25 |
15 |
16 |
|
|
Грузоподъемность т Габариты станка; м |
12 |
|
25 |
|
|
длина в транспортном положении |
8,67 |
8,86 |
т |
Ю ,7 |
|
длина в рабочем |
с о /,(> |
п е\г
1 |IIU |
О 1• |
|
|
ширина в транспортном положении |
2,29 |
3,46 |
3,5 |
2,76 |
|
ширина в рабочем положении |
2,75 |
3,8 |
3,4 |
3,50 |
|
высота в рабочем положении |
Г?,7 |
15,05 |
16,3 |
|
|
Масса станка с жана- т |
?.6 |
24 |
12,7 |
6,85 |
|
|
таки ■ двигателем |
2.1.2. Сооружение ПФЗ буровым методом осуществляется путем бурения взаимoneресекающихся скважин (рис. 2.1, 2.2, 2.3) иди блочным методом (рис. 2.1).
2.1.3. В первом случае бурятся и бетонируются скважины первой очереди диаметром 600-Ю00 мм, расположенные не расстояниях меньше двух диаметров скввжин, затем разбуривается вторая очередь скважин, которая перекрывает скважины первой очереди на 0,10-0,15 м (рис* 2.1* 2.2).
Завесы этого типа имеют ироний диапазон применения по глубине, но обладают рядом серьезных недостатков:
- небольшой скоростью проходки завес (2-4 м2/смену);
- дороговизной (ТО-100 руб/м2);
- наличном большого количестве вертикальных швов (2-4 на I пог.м);
Схеме проходки П5€ стенками ударного действия /12/
г 1
взаиыопересокаохиеся скважины (I - скваиины первой очереди,
2 - скважины второй очереди); копровая схема (I - ударно-канатный станок, 2 - копер, 3 - эрлифт,
♦ - породсразгружавций инструмент); разработка бхока (I - долото,
1 - эрлифт)
Рис. 2.1
Схеме сооружения ПФЗ стенками врацательного бурения
- последовательность бурения 1эаимопе-ресекасфххся скважин;
- проходка полости блоками (I - забетонированная скважина, 2 - бетонируемая скважине, 5 - инвентарная направляющая опалубка, 4 - пробуренная скважина,
5 - буримая скваиина, 6 - буровой инструмент, 7 - пройденная часть блока)
Рис. 2.2
- 14
- непостоянной толщиной завесы;
- потерей бетона при разбуривании второй очереди скважин ПФЗ.
|
Схема устройства ПФЗ из взаимопересекающихся буронабивных свай |
|
а - под защитой бентонитового раствора (I - буровой станок, 2 - приямок для глинистого раствора,
3 - насос, 4 - вибросито, 5 - выбуренная порода, 6 - сквэжины первой очереди, 7 - готовый участок завесы, 8 - растворный узел, 9 - лотки для глинистого раствора, 10 - канал подачи раствора в скважину, II - растворный трубопровод, 12 - ось завесы стенки);
б - под защитой обсвдной трубы (цифрами обозначена очередность бурения и бетонирования скважин)
Рио. 2.3
- 15 -
Основная проблеме при сооружении ПФЗ - фиксирование заданного расстояния между скважинами и обеспечение вертикальности стенок ПФЗ*
Вследствие трудности сохранения сплошности завес в этих условиях рекомендуется вести строгий контроль за бурением скважин и применять бетонный воротник вдоль оси ПФЗ. В качестве заполнителя завес такого типа применяют бетонные смеси, песчано-цементные заполнители с добавками гравия и щебня.
2.1.4. При блочном сооружении ПФЗ на границах блоков производят бурение ограничивающих скважин на всю глубину завесы, а участки между ними разрабатываются послойно по горизонтам путем челночных перемещений бурового инструмента вдоль вабоя, которое достигается установкой бурового агрегата на платформе, перемещаемой по рельсам, или установкой каретки
на копре (рис. 2.1, 2.2). Выбуренная порода удаляется эрлифтом.
2.1.5. Станки ударного действия незаменимы при проходке валунных, трещиноввтых пород и галечников, обеспечивая вертикальность стенок траншей.
2.2. Свайный способ
2.2.1. Сооружение ПФЗ осуществляется забивкой в мягкие породы свай, шпунтов (деревянных, металлических длиной до Ю-12 м)копрани и другими специальными механизмами. Для облегчения забивки свай используется гидроразмыв пород в основании свай, шпунтов,вибропогружение иди их комбинации.
2.2.2. Этим методом возможно сооружать ПФЗ толщиной до Ю см в мягких породах. Полость завесы образуется проколом ■пунга (рис. 2.4) или подобного ему элемента с последующим его извлечением.
В качестве заполнителя таких завес рекомендуется глиноцементная смесь с удельным весом 1,6 кг/см3 и прочностью до 19 кг/см*, приготовляемая из двух частей глины и одной части цемента с небольиим количеством бентонита.
УДК 502.3:622.514
Временные методические указания по применению противофильтрэционных завес на угольных рэзрезах. ВНИИОСуголь. Пермь, 1984, 123 с.
Во "Временных методических указаниях..." содержатся сведения по использованию противофильтрационных завес, оцениваются техника и технология их сооружения различными способами, рассматриваются факторы, влияющие на создание занес, приводятся раочеты и рекомендации по использованию противофильтрационных завес на угольных разрезах.
Коллектив авторов: к.г.-м.н. О.А.Спивак,
к.г.-м.н. С.А.Устинов, к.г.-м.н. А.Н.МОГМЛКО (Укрниипроект), Е.Г.Воропов, к.т.н. В.М.Бань-ковскэя (ВНИИОСуголь)
Государственный научно-исследовательский, проектно-конотрукторский и проектный институт угольной про-(5) мышленности (Укрниипроект)
Всесоюзный научно-исследовательский и проектноконструкторский институт охраны окружающей природной среды в угольной промышленности (ВНИИОСуголь). 1984.
- 3 -
В соответствии с "Программой работ по созданию и внедрению мало- и безотходных производств по Министерству угольной промышленности СССР на I96I-I990 годы", утвержденной приказом Министерства угольной промышленности И» 360 от 28.07.81, Всесоюзному научно-иоследовательскому ж проектно-конструкторскому институту охраны окружающей природной среды в угольной промышленности (ВНИИОСуголь), Государственному научно-исследовательскому, проектно-конструкторскому и проектному институту угольной промышленности (Укрниипроект) поручено разработать в I98I-I985 годах комплекс научно-технических мероприятий по максимальному сокращению притоков подземных и поверхностных вод в шахты и разрезы. Для оказания методической помощи при проектировании и осуществлении мероприятий по сокращению водопритоков организациями и предприятиями Министерства угольной промышленности СССР, занимающимися проектированием, строительством и эксплуатацией угольных (сланцевых) разрезов, оостввлены настоящие "Временные методические указания по применению противофильтрвционных завес на угольных разрезах".
"Временные методические указания..." составлены на основании обобщения исследований Всесоюзного научно-исследовательского и проектно-конструкторского института по осушению месторождений полезных ископаемых, специальным горным работам, рудничной геологии и маркшейдерскому делу (ВИОГЕМ), Гидропроекга им.С.Я.Жука, ГПЙ Укрводоканал, НИИСП Госстроя УССР , Института коллоидной химии и химии воды АН УССР, Института горного деда им.А.А.Скочинского (ИГД им.А.А.Скочин-ского), Государственного научно-исследовательского, проектно-конструкторского и проектного института угольной промышленности (Укрниипроект), а также опыта создания противофиль-трационных завес за рубежом.
Первая редакция'Методических указаний разработанная институтом "Укрниипроект", разослана в проектные и научно-исследовательские институты и производственные объединения отрасли для получения отзывов и заключений. С учетом замеча-
- 4 -
ний этих пргянияяфгв институтами "Укрниицроекг" и "ВНИИОС-уголь" подготовлена настоящая редакция "Временных методических указаний...".
Замечания и предложения следует направлять по адресу: 614600, Пермь, ГСП-237, ул.Островского, 60, институт "ВНИИОСуголь".
- 5 -
I. ТИПЫ ПФЗ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПРАКТИКЕ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ
1.1. Принципиальные схемы ПФЗ
1.1.1. Искусственно создаваемая преграда для-фмяьтра-ционного водного потока называется противофильтрационной завесой (ПФЗ).
1.1.2. Простейшими ПФЗ при глубинах, не превышающих 10 м, являются сплошные ряды шпунтовых свай: деревянные и металлические.
1.1.3. В большинстве случаев в настоящее время устройство ПФЗ осуществляется методом "стена в грунте". В процессе проходки вертикальные стенки траншей, скважин удерживаются от обрушения глинистой суспензией, обеспечивающей избыточное гидростатическое давление не породы и создающей за-глинизироваыный слой на стенках выработок. Для этого уровень глинистого раствора в выработках должен превышать уровень воды в окружающих породах. Глинистые растворы облегчают условия работы рабочих органов машин, создающих траншеи и скважины.
После устройства траншей (щели, скважин) их заполняют либо водонепроницаемыми заполнителями различного состава, либо сборными железобетонными элементами или монолитным бетоном.
1.1.4. В практике угольных месторождений следует ориентироваться на ПФЗ глубиной 10-50 м и выше. Для этой цеди могут быть использованы различные модификации метода проходки "стена в грунте" - траншейный, щелевой, набивные сваи и инъекционный способ, применяемые в горном деле для сооружения шахтных стволов.
1.1.5. Основные технические требования^ по данным института ВИСГЕМ /7/, предъявляемые к ПФЗ:
- низкие фильтрационные свойства материала-заполнителя завес (К <110“^ м/суг);
- однородность и постоянство фильтрационных свойств по глубине и длине завесы;
- 6 -
- на стыках конструктивных элементов или заходок фильтрационные свойства ПФЗ не должны отличаться от других значений параметров;
- сохранение противофилътрационных свойств на весь период эксплуатации сооружения;
- устойчивость к возможным деформациям, недопустимость разуплотнения и растрескивания;
- устойчивость к внутренней и контактной суффозии;
- устойчивость материалов завес к агрессивному воздействию подземных вод.
1.1.6. По материалу заполнителя завесы могут быть с твердым и нетвердеющим заполнителями.
1.1.7. По расположению в плане ПФЗ могут быть линейные, полузамкнутые и кольцевые.
1.1.8. В зависимости от темпов развития горных работ ПФЗ могут быть постоянные, защищающие частично или все поле разреза, и скользящие, обеспечивающие защиту последовательно вступающих в эксплуатацию участков.
1.1.9. По отношению к водоупору завесы бывают совершенные (доведенные до водоупорного пласта) и несовершенные (висячие) - не доведенные до водоупора.
1.2. Материалы водоудерживающих заполнителей ПФЗ
1.2.1. Рецепты растворов и материалов заполнителей, используемых при сооружении ПФЗ, рекомендуется подбирать индивидуально в соответствии с породами стенок полостей под ПФЗ, наличием местных материалов и результатами лабораторных исследований /12/.
1.2.2. При сооружении ПФЗ глинистые растворы промывочных жидкостей должны обладать следующими свойствами: иметь избыточный удельный вес по отноиению к грунтовой воде с целью создания повышенного гидростатическою противодавления на стенки выработки, формировать на стенках выработки глинистую корку достаточной прочности, сохранять постоянство своих свойств в период строительстве ПФЗ и обеспечивать нормальную работу всех механизмов, используемых при строитель-- 7 -
стве. Лучшим материалом для промывочных жидкостей являются высокодисперсаые глины, в частности, бентониты, отличающиеся высокой водопоглощаемостью. Качества бентонитов так высоки, что они, наряду с лучшими химическими реагентами, как облагораживающие добавки, часто применяются в промывочных жидкостях, приготовляемых из местных глин. Из бентонитов могут быть приготовлены растворы 6-9J& концентрации, С бентонитами конкурируют искусственные глинопороики, изготавливаемые на основе полыгорскитовых глин.
Глинопорошки для приготовления промывочных жидкостей должны представлять собой высушенную и измельченную- глину (с химическими реагентами и без них), которая образует с водой устойчивую суспензию, примениющуюся в качество бурового раствора в условиях прокладки траниейных стенок/ Глинистые растворы приготавливаются из гдннопороикев по методике, содержащейся в специальных руководствах /I2/.
Для получения глинистого раствора заданного удельного веса нужное количество глины рассчитывается с.условием добавления ее в готовый раствор для восстановления его евойс® при многократном использовании иди при первоначальной приготовлении на воде. Расчет ведется по формуле расхода глины на I м3 глинистого раствора:
(I.I)
(1.2)
Кг- объемный вес глины, т/м3;
X - удельный вес глинистого раствора, т/м3;
#6- удельный вес воды, т/м3.
Если раотвор при проходке (бурении) загустится, его разбавляют водой. Дополнительное количество воды на I м3 рассчитывается по формуле
- в
Д V, mV,--,
У г Уь
где Xi н Vi - удельный вес и объем первснзчольпо приготовленного раствора;
Уг- удельный вес нового глинистого раствора;
У8- удельный вес воды.
Приготовление раствора для ПФЗ ведется в стационарных рветворных узлах, располагаемых вблизи участка строительство завесы. Подача раствора к месту залива производится по трубам.
Специального оборудования для приготовления и очистки раствора отечественная промышленность не выпускает, поэтому рекомендуется использовать смесители, применяемые в иофтлной промышленности, характеристика которых приведена в табл. I.I.
Таблица I.I
8-9
до 20 до 20
60-120 60-120 1,02-1,4 1,02-1,4
Характеристика смесительных машин разных марок Параметры j 2МН-20 [ CU-I0 ’”| CUII-2D
Грузоподъемность, т 8-9
Кмкость бункера, м3 до 20
Производительность при приготовлении глинистого растворе, ы8/ч 60-120
Удельный вес глинистого растворе, т/мз 1,32-1,4
автомашина автомашина полуприцеп йаЗ-210 НАЗ-2Ю с автотягачей ЯАЗ-214Д
1.2.3. Материалы заполнителей ПФЗ бывают двух основных видов: твердеющие и нетвердеющие.
- 9 -
1.2.4. В качестве лучших глинистых нетвердеющих масс заполнителя ПФЗ служат глинистые смеси, образующиеся в системе, содержащей 50% бентонита, 50% искусственной смеси при равном соотношении компонентов 50% полыгорскита и 50% монтмориллонита. В пересчете на два компонента смесь включает 37,5% полыгорскита и 62,5% бентонита. Такие смеси обладают высокой подвижностью, склонностью к тиксотропному структурообразова-нию, низкой водоотдачей и нулевым суточным отстоем. Исходя из экономических соображений, целесообразно часть заполняющего материала заменять местными низкосортными глинами. При этом, однако, происходит некоторое снижение прочности коагуляционной структуры и знтифильтрационных свойств системы. Предельное соотношение местных глин в заполнителе - 70%, облагораживающей добавки - смеси монтмориллонита и полыгорскита - 30%.
Изготовление смесей местных пород с облагораживающими растворвми может выполняться различными способами: при глинизации местных пород на поверхности с последующей их засыпкой (замывом) в ПФЗ либо непосредственно в траншее, щели или скважине при их проходке (без подъема разрыхленной породы на поверхность).
Для борьбы с солевой агрессивностью подземных вод применяются полыгорскит или химикаты.
Наряду с сооружением завес путем обратной отсыпки в траншею (щель) выработанной из неё породы и заглинизированной породы применяют также привозные кальциевые и натриевые глины. Для засыпки в траншею используют комовые глины с размерностью фракций Ю0-200 мм, в таком же состоянии заполнитель лучше самопогружается в глинистый раствор /12/.
Особо высокими противофильтрационными показателями обладает паста-заполнитель из тщательно перемешанных заглинизи-рованной породы в количестве 70% и 30% бентонито-полыгорски-товой смеси. Влажность пасты должна быть доведена до 40-50%. Укладка производится восходящим потоком через иньекторы.
1.2.5. В качества твердеющих заполнителей ПФЗ используются цементобетон, грунтобетон, асфальтобетон, шлакобетон. Применяется цемент марки 300+600. Применяется бетон от марки 300 до 600. При больших поглощениях к раствору добавляют па-
