Герметизирующая перемычка для разделения шахтных горизонтальных выработок и способ ее сооружения

Группа изобретений относится к горной промышленности и может быть использована для изоляции части шахтных горизонтальных выработок от обводнения или от проникновения находящихся под избыточным давлением газа и жидкостей из подземных хранилищ. Техническим результатом является повышение эффективности гидроизоляции перемычки по контуру шахтной горизонтальной выработки за счет исключения отрицательного влияния различной деформирующей способности материалов тела перемычки и горных пород путем изменения плотности материала контактного уплотняющего слоя в процессе сооружения перемычки. Герметизирующая перемычка включает заглубленное в контурный вруб бетонное тело, периферийную металлическую арматуру, контактный слой с породным массивом и по крайней мере одну, проходящую через бетонное тело, трубу. При этом периферийная металлическая арматура выполнена из продольных и поперечных связей, поперечные связи, кроме крайних, выполнены в виде поясов с углублениями, в которых размещены торообразные перфорированные элементы, например, из эластичного материала, каждая полость которых соединена по крайней мере одной трубой, выведенной за пределы торца бетонного тела со стороны охраняемой части горизонтальной выработки, а проходящая через бетонное тело труба оснащена задвижкой. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

Группа изобретений относится к горной промышленности и может быть использована для изоляции части шахтных горизонтальных выработок от обводнения или от проникновения находящихся под избыточным давлением газа и жидкостей из подземных хранилищ.

Перемычки, герметизирующие смежные части шахтных горизонтальных выработок, известны.

Известно герметизирующее устройство для подземных шахтных хранилищ (газа или жидкостей) по авторскому свидетельству СССР (SU 305109, B65G 5/00, 04.06.1971). Оно включает бетонную стенку с контурным гидрозатвором, расположенным по ее периметру и имеющим трубу для закачки изолирующей жидкости под давлением. В бетонную стенку может быть вмонтирован люк-лаз.

Известен способ сооружения герметизирующей перемычки для подземных шахтных газонефтехранилищ по авторскому свидетельству СССР на изобретение (SU 416440, E21F 17/16, 25.02.1974). Он содержит информацию об устройстве и включает выполнение в породе выемки (вруба), установке в ней стальной перекрывающей плиты, возведение несущей бетонной стенки с последующей герметизацией зазора между стенкой, плитой и породой, причем предварительно создают обрамление из стальных листов кольцевой формы, которые последовательно устанавливают и сваривают между собой по внутреннему контуру, а зазор между породой и обрамлением по мере установки листов послойно зачеканивают непроницаемым материалом, расширяющимся при твердении.

Известен также способ сооружения шахтной самоуплотняющейся гидроизоляционной перемычки по евразийскому патенту (015486, E21F 17/103, 30.08.2011). Он включает создание треугольного профиля вруба по контуру шахтной выработки и установку сборной перемычки из элементов (боковых треугольного профиля, прямоугольного сечения с треугольными торцами - основных цельных и замыкающих составных). Элементы перемычки оснащены герметизирующими прокладками. Возможна дополнительная установка во вмещающих породах тампонажной завесы вокруг перемычки. Дополнительно по контуру шахтной выработки может быть устроен железобетонный портал между телом перемычки и породами массива. Также дополнительно может быть сооружена самоуплотняющаяся гидроизоляционная перемычка путем заполнения пространства между обеими перемычками упрочняющим и гидроизоляционным материалом, например бетоном.

Общим недостатком вышеуказанных аналогов при их различной несущей способности является недостаточная герметичность контактного слоя с телом перемычки из-за различной деформирующей способности контактирующих материалов. В качестве прототипа принято техническое решение по авторскому свидетельству на изобретение SU 416440 как наиболее близкое по технической сути.

Задача изобретения состоит в повышении эффективности гидроизоляции перемычки по контуру шахтной горизонтальной выработки за счет исключения отрицательного влияния различной деформирующей способности материалов тела перемычки и горных пород путем изменения плотности материала контактного уплотняющего слоя в процессе сооружения перемычки.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата предлагаемая герметизирующая перемычка для разделения шахтных горизонтальных выработок включает заглубленное в контурный вруб бетонное тело, периферийную металлическую арматуру, контактный слой с породным массивом и по крайней мере одну проходящую через бетонное тело трубу. Отличительной особенностью предлагаемой перемычки является то, что периферийная металлическая арматура выполнена из продольных и поперечных связей, поперечные связи, кроме крайних, выполнены в виде поясов с углублениями, в которых размещены торообразные перфорированные элементы, например, из эластичного материала, каждая полость которых соединена по крайней мере одной трубой, выведенной за пределы торца бетонного тела со стороны охраняемой части горизонтальной выработки, а проходящая через бетонное тело труба оснащена задвижкой.

Для исключения утечек через возможные трещины в нарушенной зоне породного массива герметизирующая перемычка снабжена заполненной тиксотропным раствором камерой, ограниченной обращенным к затопляемой части горизонтальной выработки торцом бетонного тела, подпорной стенкой с контурным гидрозатвором и стенкой горизонтальной выработки между ними, верхняя часть подпорной стенки размещена в выемке кровли горизонтальной выработки с образованием гидрозамка, оснащенная задвижкой труба проходит через камеру и подпорную стенку, а камера связана с охраняемой частью горизонтальной выработки по крайней мере одной трубой для подачи тиксотропного раствора.

Для расширения функциональных возможностей герметизирующая перемычка без камеры и с камерой могут быть снабжены каждая соединяющей разделенные части горизонтальной выработки трубчатым лазом, оборудованным люком.

Способ сооружения герметизирующей перемычки для разделения шахтных горизонтальных выработок, включающий выполнение на участке горизонтальной выработки контурного вруба в породном массиве, возведение с заглублением во вруб бетонного тела с периферийной металлической арматурой и создание контактного слоя бетонного тела с породным массивом путем заполнения зазора между ними уплотняющим материалом. Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что до создания бетонного тела перед контурным врубом перехватывают воду подтопления путем сооружения переливного порога и сброса воды подтопления по оснащенной задвижкой и проходящей сквозь переливной порог трубе, возведение бетонного тела производят заходками, начиная от проектного торца перемычки со стороны подтопляемой части горизонтальной выработки, а заполнение уплотняющим материалом зазора между бетонным телом и породным массивом осуществляют поэтапно при подаче под давлением р_li цементного раствора через перфорированные элементы поясов, предварительно установленных до создания бетонного тела на расстоянии S_i от торца перемычки со стороны охраняемой части горизонтальной выработки, которое определяют по зависимости

где i=1, 2, …, n;

p_2i - гидростатическое давление воды подтопления, Па;

D - диаметр вруба под бетонное тело перемычки, м;

μ - коэффициент Пуассона породы;

τ₀ - начальное напряжение сдвига цементного раствора, Па;

Е - модуль упругости породы, Па;

n - количество поясов, определяемое с округлением до ближнего целого значения отношением

n≈p_max/p_min=p_2n/p₂₁,

где p_min - минимальное гидростатическое давление воды подтопления у 1-го пояса;

p_mах - максимальное гидростатическое давление воды подтопления у n-го пояса;

причем производят промывку перфорированных элементов последующего пояса одновременно с подачей цементного раствора в предыдущий, на выходящий из перфорированных элементов под давлением р_li цементный раствор дополнительно воздействуют водой подтопления с давлением р_2i при регулируемом ее сбросе через оснащенную задвижкой трубу бетонного тела, соблюдая соотношение

р_li/р_2i=1,1…1,25.

Для сокращения времени сооружения перемычки без нарушения ее прочности в предлагаемом способе создание последующей части слоя уплотнения производят при достижении не менее 50% прочности предыдущей ее части, и при создании каждой части слоя уплотнения воздействие воды подтопления на цементный раствор осуществляют в течение не менее суток.

Для исключения фильтрации по трещинам ослабленной зоны породного массива вокруг перемычки в модификации предлагаемого способа до осуществления контурного вруба или одновременно с ним производят на расстоянии, равном длине камеры, вруб под подпорную стенку с образованием переливного участка в кровле горизонтальной выработки, устанавливают оснащенную задвижкой трубу с выходом за подпорную стенку и предварительно возведенный переливной порог, бетонируют подпорную стенку и тело перемычки, а после создания контактного слоя между бетонным телом и породным массивом заполняют камеру тиксотропным раствором и подают его в трещиноватую зону породного массива, воздействуя на тиксотропный раствор водой подтопления под давлением, регулируемым путем ее сброса.

Для расширения эксплуатационных возможностей возможна модификация предлагаемого способа, в которой перед бетонированием тела перемычки и подпорной стенки устанавливают трубный лаз с люком.

Сущность изобретений поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена герметизирующая перемычка для разделения шахтных горизонтальных выработок, продольный вертикальный разрез (эксплуатационная фаза сброса воды подтопления через перемычку);

на фиг. 2 - то же, разрез А-А на фиг. 1;

на фиг. 3 - то же, выносной элемент 1;

на фиг. 4 - то же, модификация перемычки с трубчатым лазом, продольный вертикальный разрез;

на фиг. 5 - то же, модификация перемычки с заполненной тиксотропным раствором камерой, продольный вертикальный разрез;

на фиг. 6 - то же, модификация перемычки с заполненной тиксотропным раствором камерой и трубчатым лазом, продольный вертикальный разрез (фаза подачи тиксотропного раствора в трещины породного массива);

на фиг. 7 - способ сооружения герметизирующей перемычки для разделения шахтных горизонтальных выработок, конечная фаза создания в выработке вруба под тело перемычки, вертикальное продольное сечение;

на фиг. 8 - то же, конечная фаза создания металлического каркаса перемычки, вертикальное продольное сечение;

на фиг. 9 - то же, конечная фаза создания металлического каркаса перемычки с трубчатым лазом, вертикальное продольное сечение;

на фиг. 10 - то же, промежуточная фаза бетонирования первого кольца тела перемычки с трубчатым лазом, вертикальное продольное сечение;

на фиг. 11 - то же, конечная фаза второго этапа послойного заполнения цементным раствором зазора между бетонным телом перемычки и породным массивом, фрагмент с двумя поясами вертикального продольного сечения;

на фиг. 12 - то же, конечная фаза создания в выработке врубов под тело перемычки и подпорной стенки, вертикальное продольное сечение;

на фиг. 13 - то же, конечная фаза оснащения арматуры тела перемычки и подпорной стенки трубой с задвижкой, вертикальное продольное сечение;

на фиг. 14 - то же, конечная фаза оснащения арматуры тела перемычки и подпорной стенки трубчатым лазом, вертикальное продольное сечение;

на фиг. 15 - то же, промежуточная фаза заполнения тиксотропным материалом камеры перемычки с трубным лазом, вертикальное продольное сечение.

Изобретение, касающееся устройства, представляет собой герметизирующую перемычку для разделения шахтных горизонтальных выработок (фиг. 1 и 2). Оно включает бетонное тело 1, периферийную металлическую арматуру 2, контактный слой 3 бетонного тела 1 с породным массивом 4 и по крайней мере одну трубу 5, проходящую через бетонное тело 1. Бетонное тело 1 размещено в контурном врубе 6 в породном массиве 4 и разделяет шахтную горизонтальную выработку 7 на две части - охраняемую 7а и подтопляемую 7б. Периферийная металлическая арматура 2 выполнена из продольных связей 2а и поперечных связей - промежуточных 2б и концевых 2в. Продольные связи 2а выполнены из стержней, например, трубчатого сечения. Промежуточные поперечные связи 2б поперечных выполнены в виде поясов с углублениями 8 (фиг. 3), например, полукруглого сечения. Концевые поперечные связи 2в могут иметь прямоугольное сечение. Поперечные связи 2б и 2в имеют конфигурацию 2г, аналогичную конфигурации 7а профиля горизонтальной выработки 7. В углублениях 8 размещены торообразные перфорированные элементы 9, например, из эластичного материала, каждая полость 10 которых соединена по крайней мере одной трубой 11 (технологически предпочтительно несколькими), выведенной за пределы торца 1а бетонного тела 1 со стороны охраняемой части 7а горизонтальной выработки 7. Со стороны этой же части выработки труба 5 оснащена задвижкой 5а и манометром 5б.

Возможна модификация герметизирующей перемычки (фиг. 4), в которой она снабжена трубчатым лазом 12, соединяющим разделенные части 7а и 7б горизонтальной выработки 7 и расположенным в бетонном теле 1. Трубчатый лаз 12 оборудован люком 13, расположенным в подтопляемой части 7б горизонтальной выработки 7.

Возможна модификация герметизирующей перемычки (фиг. 5), в которой она еще снабжена камерой 14, ограниченной обращенным к затопляемой части 7б горизонтальной выработки 7 торцом 1б бетонного тела 1, подпорной стенкой 15 с контурным уплотнением 16 и стенкой 7г горизонтальной выработки 7 между ними. Камера 14 заполнена тиксотропным раствором 17. Подпорная стенка 15 размещена во врубе 16а горизонтальной выработки 7. Верхняя часть 15а подпорной стенки 15 размещена в выемке 18 кровли 7д горизонтальной выработки 7 с образованием гидрозамка 19. Оснащенная задвижкой 5а труба 5 проходит через камеру 14 и подпорную стенку 15, а с учетом технологических нужд проходит и сквозь переливной порог 20 для воды подтопления 21.

Также возможна модификация перемычки с камерой (фиг. 6). Такая перемычка снабжена трубчатым лазом 12а, который проходит через бетонное тело 1, подпорную стенку 15 и переливной порог 20, соединяя части 7а и 7б горизонтальной выработки 7. Трубчатый лаз 12а оборудован люком 13, расположенным в затопляемой части 7б горизонтальной выработки 7.

Изобретение, касающееся осуществления устройства, представляет собой способ сооружения герметизирующей перемычки для разделения шахтных горизонтальных выработок (фиг. 6). Он включает выполнение на требуемом (при необходимости предварительно закрепленном известными приемами) участке горизонтальной выработки 7 контурного вруба 6 (фиг. 7) в породном массиве 4, возведение во врубе 6 бетонного тела 1 с периферийной металлической арматурой 2 и создание контактного слоя 3 бетонного тела 1 с породным массивом 4 путем заполнения зазора между ними уплотняющим материалом (цементным раствором). Это достигается нижеследующими приемами.

В контурном врубе 6 устанавливают периферийную арматуру 2 (фиг. 8) и оснащенную задвижкой 5а и манометром 5б трубу 5 (в случае наличия воды подтопления 21 в горизонтальной выработке 7 до создания бетонного тела 1 сооружают перед контурным врубом 6 переливной порог 20 и проводят оснащенную задвижкой 5а трубу 5 через него, обеспечивая управляемый сброс такой воды). При необходимости перед возведением бетонного тела 1 перемычки устанавливают трубчатый лаз 12 с люком 13. Возведение бетонного тела 1 производят заходками, начиная от проектного торца перемычки со стороны подтопляемой части 16 горизонтальной выработки 7. Для чего устанавливают две поперечные опалубки (в случае установки трубчатого лаза 12 они выполнены с отверстиями для его охвата), а также трубы 5 и 11 - концевую 22а и промежуточную 22 соответственно (фиг. 10) и подают бетон 23 в пространство между ними по трубе 24 с помощью насоса (не показано). Каждую последующую заходку бетонирования осуществляют после пошагового переноса промежуточной опалубки 22.

Заполнение уплотняющим материалом зазора между бетонным телом 1 и породным массивом 4 (фиг. 11) осуществляют поэтапно при подаче под давлением р_li цементного раствора 25 (после прокачки жидкостью: водой для обычных пород или рассолом в растворимых солесодержащих породах) через перфорированные элементы 9 поясов 2б, предварительно установленных до создания бетонного тела 1 на расстоянии S_i от проектного торца перемычки со стороны охраняемой части 7а горизонтальной выработки 7, которое определяют по зависимости

где i=1, 2, …, n;

p_2i - гидростатическое давление воды подтопления, Па;

D - диаметр вруба под бетонное тело перемычки, м;

μ - коэффициент Пуассона породы;

τ₀ - начальное напряжение сдвига цементного раствора, Па;

Е - модуль упругости породы, Па;

n - количество поясов, определяемое с округлением до ближнего целого значения отношением

n≈p_mах/р_min=p_2n/p₂₁,

где p_min - минимальное гидростатическое давление воды подтопления у 1-го пояса;

р_mах - максимальное гидростатическое давление воды подтопления у n-го пояса,

причем производят промывку перфорированных элементов последующего пояса одновременно с подачей цементного раствора в предыдущий, на выходящий из перфорированных элементов под давлением р_li цементный раствор дополнительно воздействуют водой подтопления.

Причем на выходящий из перфорированных элементов 9 (фиг. 11) под давлением р_li цементный раствор дополнительно воздействуют давлением p_2i водой подтопления 21 при регулируемом ее сбросе через оснащенную задвижкой 5а трубу 5 для каждого последующего пояса (поперечной связи 2б), соблюдая соотношение

p_li/p_2i=1,1…1,25.

Возможна модификация способа (фиг. 11), в котором создание последующего слоя уплотнения 26б производят при достижении не менее 50% прочности предыдущего 26а.

Возможна модификация способа (фиг. 12), в котором до осуществления контурного вруба 6 или одновременно с ним производят от торца 6а вруба 6 (в сторону подтопляемой части 7б выработки 7) на расстоянии, равном длине L_k камеры 14, вруб 16а под подпорную стенку 15 и выемку 18 для образования переливного участка в кровле 7д горизонтальной выработки 7, устанавливают оснащенную задвижкой 5а трубу 5 с выходом за будущую подпорную стенку (за ее проектное положение) и предварительно возведенный, например, бетонированием переливной порог 20, бетонируют подпорную стенку 15 и тело 1 перемычки, а после создания контактного слоя 3 между бетонным телом 1 и породным массивом 4 заполняют камеру 14 тиксотропным раствором 17 (фиг. 15) и подают его в трещиноватую зону породного массива 4 (фиг. 5), воздействуя на тиксотропный раствор 17 водой подтопления 21 под давлением, регулируя с помощью задвижки 5а ее сброс по трубе 5.

Возможны модификации способа, которые включают перед бетонированием тела 1 перемычки и подпорной стенки 15 установку трубчатый лаз 12 (12а) с люком 13 соответственно (фиг. 9 и 14).

Работа герметизирующей перемычки состоит в следующем.

В случае эксплуатации перемычки самой простой модификации (фиг. 1) при достижении давления воды подтопления 21 критического размера производят ее сброс по оснащенной задвижкой 5а трубе 5.

В случае эксплуатации перемычки модификации, имеющей камеру 14 (фиг. 6), при возникновении дополнительных трещин в трещиноватой зоне (не показана) породного массива 4 по трубе 17а производят подачу необходимого количества тиксотропного раствора 17 в трещиноватую зону при воздействии воды подтопления 21, поступающей в камеру 14 через перелив гидрозамка под давлением, регулируемым путем ее сброса по оснащенной задвижкой 5а трубе 5. Компенсацию потери тиксотропного раствора 17 осуществляют путем подачи его в камеру 14 по трубе 17а.

1. Герметизирующая перемычка для разделения частей шахтных горизонтальных выработок, включающая заглубленное в контурный вруб бетонное тело, периферийную металлическую арматуру, контактный слой с породным массивом и по крайней мере одну, проходящую через бетонное тело, трубу, отличающаяся тем, что периферийная металлическая арматура выполнена из продольных и поперечных связей, поперечные связи, кроме крайних, выполнены в виде поясов с углублениями, в которых размещены торообразные перфорированные элементы, например, из эластичного материала, каждая полость которых соединена по крайней мере одной трубой, выведенной за пределы торца бетонного тела со стороны охраняемой части горизонтальной выработки, а проходящая через бетонное тело труба оснащена задвижкой.

2. Герметизирующая перемычка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена заполненной тиксотропным раствором камерой, ограниченной обращенным к затопляемой части горизонтальной выработки торцом бетонного тела, подпорной стенкой с контурным гидрозатвором и стенкой горизонтальной выработки между ними, верхняя часть подпорной стенки размещена в выемке кровли горизонтальной выработки с образованием гидрозамка, оснащенная задвижкой труба проходит через камеру и подпорную стенку, а камера связана с охраняемой частью горизонтальной выработки по крайней мере одной трубой для подачи тиксотропного раствора.

3. Герметизирующая перемычка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что она снабжена соединяющей разделенные части горизонтальной выработки трубчатым лазом, оборудованным люком.

4. Способ сооружения герметизирующей перемычки для разделения шахтных горизонтальных выработок, включающий выполнение на участке горизонтальной выработки контурного вруба в породном массиве, возведение с заглублением во вруб бетонного тела с периферийной металлической арматурой и создание контактного слоя бетонного тела с породным массивом путем заполнения зазора между ними уплотняющим материалом, отличающийся тем, что до создания бетонного тела перед контурным врубом перехватывают воду подтопления путем сооружения переливного порога и сброса воды подтопления по оснащенной задвижкой и проходящей сквозь переливной порог трубе, возведение бетонного тела производят заходками, начиная от проектного торца перемычки со стороны подтопляемой части горизонтальной выработки, а заполнение уплотняющим материалом зазора между бетонным телом и породным массивом осуществляют поэтапно при подаче под давлением p_1i цементного раствора через перфорированные элементы поясов, предварительно установленных до создания бетонного тела на расстоянии S_i от торца перемычки со стороны охраняемой части горизонтальной выработки, которое определяют по зависимости

где i=1, 2, …, n;

p_2i - гидростатическое давление воды подтопления, Па;

D - диаметр вруба под бетонное тело перемычки, м;

μ - коэффициент Пуассона породы;

τ₀ - начальное напряжение сдвига цементного раствора, Па;

E - модуль упругости породы, Па;

n - количество поясов, определяемое с округлением до ближнего целого значения отношением

n≈p_max/p_min=p_2n/p₂₁,

где p_min - минимальное гидростатическое давление воды подтопления у 1-го пояса;

p_max - максимальное гидростатическое давление воды подтопления у n-го пояса,

причем производят промывку перфорированных элементов последующего пояса одновременно с подачей цементного раствора в предыдущий, на выходящий из перфорированных элементов под давлением p_1i цементный раствор дополнительно воздействуют водой подтопления с давлением p_2i при регулируемом ее сбросе через оснащенную задвижкой трубу бетонного тела, соблюдая соотношение

p_1i/p_2i=1,1…1,25.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что создание последующей части слоя уплотнения производят при достижении не менее 50% прочности предыдущей его части, и при создании каждой части слоя уплотнения воздействие воды подтопления на цементный раствор осуществляют в течение не менее суток.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что до осуществления контурного вруба или одновременно с ним производят на расстоянии, равном длине камеры, вруб под подпорную стенку с образованием переливного участка в кровле горизонтальной выработки, устанавливают оснащенную задвижкой трубу с выходом за подпорную стенку и предварительно возведенный переливной порог, бетонируют подпорную стенку и тело перемычки, а после создания контактного слоя между бетонным телом и породным массивом заполняют камеру тиксотропным раствором и подают его в трещиноватую зону породного массива, воздействуя на тиксотропный раствор водой подтопления под давлением, регулируемым путем его сброса.

7. Способ по пп. 5 и 6, отличающийся тем, что перед бетонированием тела перемычки и подпорной стенки устанавливают трубчатый лаз с люком.