Строительство горных выработок в сложных гидрогеологических условиях осуществляется, как правило, с применением замораживания либо тампонирования горных породили с применением водопонижения.

Строительство с применением замораживания горных пород. Ледопородные ограждения вокруг горизонтальных или наклонных выработок могут быть созданы вертикальными замораживающими скважинами, расположенными в несколько продольных рядов по всей трассе выработки (первая схема); скважинами, расположенными параллельно оси выработки по ее контуру или в пределах сечения выработки (вторая схема) и комбинацией этих способов (третья схема).

По первой схеме ( 15.27, а) вдоль трассы выработки бурят систему вертикальных замораживающих скважин /, расположенных в несколько рядов по квадратной или ромбической сетке, и создают сплошной ледопородный массив, в пределах которого проводят горизонтальную или наклонную выработку 2. При наличии водоупора в лотковой части выработки замораживающие скважины внутренних рядов недобуривают на 0,5 м до шелыги свода, а в контурных рядах заглубляют в водоупор. Если водоупорные породы залегают на значительной глубине, то скважины всех рядов заглубляют ниже лотковой части выработки на 3-6 м.

При строительстве подземного сооружения неглубокого заложения (до 20 м) ледопородные массивы создают на всю глубину скважины. При глубине заложения выработки более 20 м (см.  15.27, б) предусматривается создание ледопородиого ограждения / ограниченных размеров по высоте с помощью колонок зонального замораживания 2. При наличии неустойчивых пород в кровле выработок предусматривается образование ледопородных потолочин мощностью 4-6 м.

В рассмотренных схемах крайние продольные ряды скважин называют контурными, а ряды, расположенные между ними, — внутренними или центральными. Число продольных рядов замораживающих скважин зависит от ширины или диаметра проектируемой выработки и составляет от двух до девяти, а иногда и более рядов. Ряды замораживающих скважин, расположенные перпендикулярно к осевой линии проектируемой выработки, называют поперечными рядами, их число определяют в зависимости от длины сооружаемой выработки. В практике строительства расстояние между замораживающими скважинами в контурных рядах колеблется от 1,2 до 2,2 м и на внутренних рядах — от 2 до 2,6 м. Расстояние между продольными рядами принимают равным от 1,5 до 2,6 м. Схему создания ледопородных ограждений вертикальными скважинами применяют при проведении протяженных наклонных выработок с углом наклона менее 30° и длиной более 80 м. Недостатками этой схемы являются: большой объем буровых работ, увеличение стоимости работ и усложнение механизации выемки породы вследствие того, что приходится разрабатывать замороженную породу. Однако, несмотря на указанные недостатки, на практике эта схема получила наибольшее распространение в силу простоты работ по бурению и оборудованию скважин.

По второй схеме при проведении горизонтальных выработок в неустойчивых породах ледогрунтовое ограждение может быть создано непосредственно из забоя выработки или же из специальной выработки (ствола, котлована, камеры). Ледогрунтовое ограждение из забоя выработки может быть создано с применением горизонтальных замораживающих скважин, располагаемых внутри контура выработки ( 15.28, а), или же расходящимся пучком (см.  15.28, б). При этом замораживающие скважины должны быть заглублены в водоупор. В противном случае грунт промораживают по всему сечению выработки. После создания ледогрунтового ограждения проектных размеров замораживающие колонки отключают от рассольной сети, демонтируют питающие трубы и приступают к горнопроходческим работам. По мере проходки встречающиеся в забое трубы замораживающих колонок вырезают.

При создании ледогрунтового ограждения из специальной выработки (см.  15.28, в), которую чаще всего проходят также с применением способа замораживания, за пределами контура выработки бурят горизонтальные скважины, которые затем оборудуют замораживающими колонками. В рыхлых водонасыщенных грунтах замораживающие колонки непосредственно задавливают в массив с помощью гидродомкратов. Горнопроходческие работы в этом случае осуществляют под защитой ледогрунтового ограждения, толщину и температуру которого можно регулировать в процессе производства работ.

Замораживание грунта в этих случаях осуществляют с помощью передвижных станций. Толщину ледогрунтового ограждения определяют расчетом или назначают из конструктивных соображений в пределах 2-2,5 м. Режим работы замораживающей станции и контроль за образованием ледогрунтового ограждения организуют и осуществляют из тех же соображений, что и при замораживании горных пород при строительстве стволов шахт.

Технология проведения горизонтальных выработок под защитой ледогрунтового ограждения существенно не отличается от обычной, тем более что устраняется необходимость бороться с притоком воды, но имеются некоторые особенности. В связи с пониженной температурой воздуха в забое снижается комфортность труда и возникает необходимость в применении утепленной спецодежды для рабочих; возникают перебои в работе машин из-за конденсации влаги в сжатом воздухе и загустевания смазки; при температуре ниже 10—15° С чаще разрушаются нагруженные детали машин. Поскольку породы геологического разреза имеют различные теплофизические свойства (теплоемкость и теплопроводность) на отдельных участках выработки, они оказываются в большей или меньшей степени промороженными и возрастает трудоемкость их отбойки, вплоть до необходимости применения буровзрывных работ. Особенно трудно поддаются разработке замороженные глины, хотя при той же температуре большей прочностью обладают крупнозернистые кварцевые пески.

Замороженные породы способны с течением времени пластически деформироваться, а многие глинистые породы склонны к пучению при замораживании и особенно при последующем обнажении их. В связи с этим предъявляют дополнительные требования к конструкции постоянной крепи и технологии ее возведения. Кроме того, устанавливают специальный контроль за состоянием пересекаемых замороженных пород.

Разрушение незамороженных песков внутри контура ледопородного ограждения производят, как правило, лопатами; гравелистые породы, мел и мергель отбивают кайлами, отбойными молотками и пневмоломами; глины и суглинки — пневматическими лопатами.

Работы по выемке грунта выполняют в следующей последовательности. Сначала вынимают породу из незамороженного ядра и затем производят разработку замороженных пород отбойными молотками и пневмоломами в направлении от центра выработки к периферии.

Строительство с применением тампонирования горных пород. Производство работ по тампонированию горных пород при строительстве горизонтальных выработок отличается большим разнообразием технологических схем расположения тампонажных скважин в пространстве и устройством тампонажных перемычек. Так же как и при строительстве стволов, тампонирование горных пород при строительстве горизонтальных выработок осуществляют по двум технологическим схемам: с поверхности земли и из забоя выработки.

При тампонировании пород с поверхности выбор схемы расположения тампонажных скважин зависит от глубины заложения выработки, гидрогеологических условий, наличия и глубины залегания водоупора. Если породы водоупора залегают на небольшой глубине от выработки, то тампонаж может быть осуществлен по схеме, показанной на  15.29. В этом случае тампонажные скважины располагают в один (см.  15.29, а) или два (см.  15.29, б) ряда в зависимости от горно-геологических условий, параллельно оси выработки. При отсутствии водоупоров тампонированию подвергают весь массив, в котором будет расположена выработка (см.  15.29, в). При этом тампонажные скважины бурят или вертикально, или наклонно в зависимости от горно-геологических условий и условий на поверхности строящегося объекта.

При тампонировании пород из забоя выработки ( 15.30) работы выполняют отдельными участками (заходками) определенной длины с последовательным чередованием процессов тампонирования и проведения выработки. Нагнетание тампонажного раствора в массив осуществляют через группы слабонаклонных скважин /, при этом формируются затампонированные массивы в виде конусов или ореолов, входящих один в другой. Для предотвращения выхода тампонажного раствора и воды в выработку при тампонировании каждой заходки возводят тампо-нажную перемычку 2 или оставляют целик из ранее затампонированной породы.

Длина участка тампонирования зависит от многих факторов и в первую очередь от свойств массива, вида тампонажного материала, буровых средств и т.д. В достаточно устойчивых породах длина участка тампонирования пород может достигать сотен метров, в то время как в неустойчивых и разрушенных породах длина участка снижается до нескольких метров, В устойчивых породах тампонаж наиболее часто выполняют за-ходками по 10—50 м, а в неустойчивых — до 5 м. Скважины располагают в пределах выработки и бурят под углом к продольной оси выработки с таким расчетом, чтобы концы скважин выходили за контуры выработки на 1 — 5 м. Расстояние устьев тампонажных скважин от крепи выработок должно быть минимальным. Оно зависит от типа применяемой бурильной машины. Так, при бурении станком НКР-ЮОМ это расстояние составляет не менее 700 мм, при бурении перфораторами — 200-300 мм.

Каждая из рассматриваемых технологических схем обладает рядом преимуществ и недостатков. Так, при тампонаже с поверхности земли горнопроходческие работы совмещают с работами по тампонированию, и они не зависят друг от друга, что позволяет проходить выработку безостановочно с большими скоростями. Но при этой схеме необходимо выполнять значительный объем буровых работ, зачастую тампонировать «лишний» объем горных пород, что приводит к перерасходу тампонажных материалов и удорожанию строительства.

При схеме тампонирования пород из забоя выработки объем буровых работ сокращается, уменьшается и расход тампонажных материалов, но при этом резко сокращается скорость строительства выработки из-за того, что работы по тампонажу и проходке чередуются. Кроме того, значительное время затрачивают на сооружение тампонажных перемычек. В связи с этим выбор той или иной технологической схемы тампонирования горных пород должен базироваться на основании технико-экономических сравнений вариантов с учетом гидрогеологических условий строительства, физико-механических свойств пород, глубины заложения выработки, принятого типа бурильных машин и тампонажного материала.

Водопонижение при проведении горизонтальных выработок. Способ понижения грунтовых вод при строительстве горизонтальной выработки зависит от глубины ее заложения, гидрогеологической ситуации. При строительстве выработок на небольших глубинах (5—20 м) водопонижение осуществляют с поверхности земли с применением установок ЛИУ, эжекторных установок или же водопонижающих скважин. При заложении горных выработок на глубинах более 20 м водопонижение может быть осуществлено несколькими способами: поверхностным способом с применением водопонижающих скважин, расположенных по трассе выработки; подземным способом с применением игло-фильтровых установок, установок забойного водопонижения, восстающих скважин, сквозных фильтров, водопонижающих скважин, водопо-глощающих скважин, наклонно-опережающих скважин, дренажных канав и колодцев, с использованием забивных фильтров; комбинированным способом, то есть сочетанием как поверхностного, так и подземного водопонижения. Выбор того или иного способа осуществляют на базе технико-экономических сравнений вариантов.

Поверхностное водопонижение скважинами наиболее эффективно наугольных месторождениях, где необходимо снизить напор поду гол ьных вод ниже отметки залегания угольного пласта. Если породы обладают достаточными фильтрационными свойствами и хорошо отдают воду, наблюдается интенсивное снижение уровня воды и быстрое формирование депрессионной воронки.

Однако опыт показывает, что полного осушения надугольных водоносных горизонтов водопонижающими скважинами добиться невозможно. Как правило, 15-25% мощности водоносного горизонта остается обводненной. Плохо поддаются осушению рыхлые водосодержащие породы, а также тульские известняки из-за их неравномерной трещиноватости, наличия небольших статических запасов воды, вследствие чего скважины работают сравнительно недолго и с малыми дебитами.

Водологлощающие скважины применяют для дренажа водоносных горизонтов в кровле пласта путем перепуска воды из обводненных пород в нижележащие породы, обладающие высокими фильтрационными свойствами и способные поглощать воду.

Дебит водопоглощающих скважин, пробуренных на надугольные пески Подмосковного бассейна, не превышает, как правило, 6 м3/ч, пробуренных на тульские известняки, — значительно больше, если они размещены в зонах повышенной трещиноватости.

С помощью водопоглощающих скважин в определенных гидрогеологических условиях достигают полного осушения как рыхлых песчаных пород, так и известняков. Однако в практике горных работ этот способ осушения считается вспомогательным и применяется в ограниченных объемах.

Подземный способ водопонижения применяют в подготовительных выработках при оконтуривании выемочных столбов или в выработках главных направлений, он предназначается для дренажа обводненных пород непосредственной кровли или почвы угольного пласта. Осушение из подземных выработок ведут параллельно с горнопроходческими работами или после их окончания, вслед за подвиганием забоев штреков или с некоторым опережением в зависимости от геологического строения и условий обводненности участков развития горных работ.

Забивные фильтры служат для осушения песков, залегающих непосредственно над угольным пластом или на расстоянии от него не более 10 м. В зависимости от обводненности и фильтрационных свойств песков используют щелевые, дырчатые и кожуховые забивные фильтры

Щелевые фильтры имеют продольные щели длиной 50—60 мм и шириной 1,5-2 мм, дырчатые — отверстия диаметром 3—10 мм. На шахтах Подмосковного бассейна наиболее широко распространены дырчатые забивные фильтры с диаметром отверстий 3—4 мм и скважностью 2—5%. Щелевые и крупнодырчатые фильтры дают больший вынос песка, поэтому имеют ограниченное применение.

Забивные фильтры устанавливают вслед за подвиганием забоя подготовительной выработки на расстоянии 2-10 м один от другого. Расстояние между фильтрами зависит от обводненности и фильтрационных свойств песков, продолжительности действия фильтров. Дебиты забивных фильтров .колеблются от 0,1 до 10 м3/ч.

Восстающие скважины применяют для осушения горных пород, залегающих в кровле выработки на расстоянии более 10 м. Скважины бурят станком БС-50 (ДС-4) или СБД-2. Чаще всего используют станок БС-50 (ДС-4), позволяющий бурить скважины диаметром 75—100 мм длиной 25—30 м без прекращения проходческих работ. Восстающие скважины размещают через каждые 50-100 м. Бурение восстающих скважин обеспечивает максимальный водозабор из водоносных горизонтов в кровле угольного пласта, предотвращая тем самым прорывы подземных вод при ведении очистных работ. Дебит скважин достигает 100 м3/ч (в среднем 15-30 м3/ч).

В большинстве случаев в качестве сквозного фильтра используют перфорированную со щелевыми отверстиями трубу диаметром 108-75 мм. Дебиты фильтров могут достигать 100 м3/ч в зависимости от степени трещиноватости известняков, источников питания и запасов воды в дренируемых водоносных горизонтах. Эффективность работы сквозных фильтров зависит во многом от того, насколько точно определено место расположения обводненных зон.

В настоящее время сквозные фильтры используют редко, так как с созданием буровых станков БС-50 (ДС-4) и СБД-2 появилась возможность бурить восстающие скважины длиной 25—100 м при значительно меньших (в 8—10 раз) материальных затратах.

Водопонижающие скважины диаметром 150—100 мм бурят из горных выработок, как правило, со дна колодцев или дренажных канав. Напорная вода дренируемого напорного горизонта самоизливается по скважине в канаву или колодец, откуда шахтными насосами перекачивается к участковому водоотливу. Скважины закладывают в самых пониженных местах залегания угольного пласта. Недостаточно широкое применение водопонижающих скважин связано в основном с отсутствием соответствующих для их бурения станков. Опыт бурения водопонижающих скважин из горных выработок подтвердил техническую и экономическую целесообразность их применения в условиях, когда напоры под-угольных вод на почву пласта не превышают 5 м. Дебиты скважин в этих условиях достигают 5—15 м3/ч.

Водопоглощающие скважины бурят со дна водосборного колодца и обсаживают трубами диаметром 89—108 мм до известняков.

Верхний конец обсадных труб устанавливают на 0,5-1 м выше дна колодца из расчета перелива в скважину только осветленной воды. Водо-поглощающие скважины позволяют сбрасывать в нижележащие горные породы до 25 м3/ч. Их успешно используют на многих шахтах.

Наклонно-опережающие скважины ( 15.32) применяют для опережающего осушения надугольных песков, залегающих непосредственно над угольным пластом, а также при наличии незначительной мощности прослойков глин, залегающих между пластом и обводненными песками, когда выработки проводят в условиях сложной гипсометрии угольного пласта. Скважины бурят из забоя штрека станком БС-50 (ДС-4) или СБД-2. Максимальная их длина не превышает 100 м. Бурение ведут до вскрытия водоносного горизонта, после этого в пески задавли-вают забивные фильтры с трубами диаметром 32-40 мм.

Наклонно-опережающие скважины успешно применяют на шахтах Подмосковного бассейна для дренажа надугольных песков впереди забоя проводимой выработки. Их используют также при необходимости сокращения сроков осушения выемочных столбов. В этом случае скважины бурят из расчета вскрытия песков по внутренней части столба.

Дренажные канавы и колодцы применяют для дренажа обводненной почвы и сбора воды в подготовительных выработках для последующей перекачки к участковым водоотливам. Минимальная глубина дренажных канав составляет 0,5 м, максимальная — 2 м (в зависимости от гипсометрии пласта). Дренажные (или перекачные) колодцы сооружают в самых пониженных местах в специальных камерах. Здесь же устанавливают насосы для перекачки воды. Глубина колодцев — 4-5 м, размеры поперечного сечения — 1,5 х 1,5 м. Дренажные канавы и колодцы крепят деревом.

Дренажную канаву обычно проводят по всей длине выемочного штрека, поэтому в отдельных местах ее используют для транспортировки воды к ближайшему колодцу. В случае если породы, окружающие выработку, обводнены не повсеместно, дренажные канавы проводят только на участках, примыкающих к колодцам. Поступающая вода перекачивается из колодцев шахтными насосами по трубопроводу до участкового водоотлива. Это позволяет исключить обводнение пород почвы выработок водой из дренажной канавы.

В последние годы для строительства горизонтальных и наклонных выработок в неустойчивых водоносных породах все большее распространение получает подземное забойное водопонижение с использованием установок забойного водопонижения, при этом иглофильтры располагают как по контуру, так и по всей площади забоя в зависимости от местных условий и принятой организации горнопроходческих работ.

Водопонижение при строительстве шахт производят обычно в два этапа. Вначале на шахтном поле или на участке развития горных работ с помощью поверхностного водопонижения снижают напоры воды в водоносных горизонтах до безопасных значений. Затем выполняют подземные водопонизительные работы с целью снижения остаточных напоров и уровня воды в подугольных и надугольных водоносных горизонтах (при проведении подготовительных горных выработок) или осушения пород непосредственной кровли угольного пласта, чтобы предотвратить внезапные прорывы воды в очистные забои.

Как показывает анализ опыта водопонижения в угольной промышленности, наибольшее применение получил комбинированный способ  водопонижения.