Введение к работе
Актуальность работы. Повышение эффективности подземной добычи угля, рост производительности труда и улучшение условий работы является важной народнохозяйственной задачей угольной промышленности страны, решение которой осложняется тем, что на действующих горизонтах угольных шахт Российской Федерации от 20 до 70 % промышленных запасов приходятся на пологие и наклонные пласты со сложными горногеологическими условиями. С увеличением глубины ведения горных работ в таких условиях повсеместно усиливаются проявления горного давления и резко возрастают затраты на крепление и поддержание пластовых выработок.
Для крепления пластовых выработок с неустойчивой кровлей на тонких и средней мощности пологих и наклонных пластах ВЫИМИ и КузНИУИ рекомендует применять металлическую рамную арочную или трапециевидную податливые крепи с двумя узлами податливости при расчетных смешениях кровли до 300 - 400 мм и с четырьмя узлами податливости при смещениях 700 - 800 мм. При больших расчетных смещениях рекомендуется применять мероприятия по снижению смещений кровли, такие как анкерование, инъекционное упрочнение кровли смолами, цементными и другими вяжущими растворами.
Однако дополнительное анкерование при расчетных смещениях более 800 - 1000 мм, как правило, не позволяет снизить смещение неустойчивой слоистой кровли пластовых выработок до требуемой величины. Поэтому в этих условиях значительно более эффективным мероприятием будет инъекционное упрочнение кровли вяжущими растворами.
Применительно к условиям Кузнецкого бассейна в КузНИУИ разработана технология упрочнения неустойчивой кровли пластовых выработок фенопформальдегидньши скрепляющими составами. Разработанная технология прошла успешное испытание на шахтах Кузбасса.
Однако, несмотря на эффективность упрочнения кровли синтетическими смолами, его применение сдерживается значительной стоимостью смол, необходимостью применения специального оборудования для их транспортирования, хранения, приготовления и нагнетания.
Поэтому на сегодняшний день для упрочнения кровли пластовых выработок, наряду с синтетическими смолами, представляет интерес
применение значительно более дешевых, доступных и нетоксичных цементных растворов.
В настоящее время разработаны эффективные технологические приемы, позволяющие производить качественную цементацию хаотической трещиноватости вокруг капитальных полевых горных выработок в процессе их проведения и эксплуатации. Данные приемы, в основном, могут быть использованы и для цементации кровли пластовых выработок с однородной (массивной) текстурой, т.е. в условиях образования в кровле хаотической трещиноватости. Однако эти технологические приемы не обеспечивают требуемого качества цементации трещин в неустойчивых слоистых кровлях пластовых выработок, пройденных по тонким и средней мощности пологим и наклонным пластам, вследствие особенностей фильтрационных свойств кровель в этих условиях (образование в слоистой породной кровле пластовых выработок техногенных трещин расслое^ ния по напластованию породы и перпендикулярных им тонких трещин при изгибе разделившихся слоев, уменьшение трещинной пустотности с удалением от контура выработки, неодновременность развития трещинной пустотности на отдельных участках выработки и др.).
В этой связи представляется актуальным разработка научно обоснованных технических и технологических решений по упрочнению цементацией неустойчивой слоистой кровли пластовых выработок на тонких и средней мощности пологих и наклонных пластах в процессе их проведения и эксплуатации.
Настоящие исследования выполнены в соответствии с координационными планами Минуглепрома СССР по тематическим планам института "КузНИИшахтострой" (№ гос. регистрации тем 74040545; 76044181; 79038036) и по тематическому плану НИР Кузбасского государственного технического университета в рамках региональной межвузовской научно-технической программы "Кузбасс 1997-2000".
Цель работы - разработка технических и технологических решений по упрочнению цементацией неустойчивой слоистой породной кровли пластовых выработок для снижения трудоемкости и стоимости их поддержания.
Объект исследоешшя - расслоившаяся породная кровля пластовых выработок на тонких и средней мощности пологих и наклонных пластах.
5 _ v. ., „
Идея работы состоит в учете особенностей фильтрационных свойств расслоившейся породной кровли пластовых выработок и установлении закономерностей заполнения образовавшихся трещин цементационным материалом при обосновании и разработке эффективных способов ее упрочнения цементацией.
Задачи исследований:
оценить особенности фильтрационных свойств расслоившейся породной кровли пластовых выработок;
исследовать процесс нагнетания цементных растворов в расслоившуюся породную кровлю пластовых выработок;
разработать скважинные инъекционные устройства для цементации слоистой породной кровли пластовых выработок;
разработать технологию упрочнения цементацией неустойчивой слоистой породной кровли пластовых выработок.
Методы исследований.
Юценка особенностей фильтрационных свойств в расслоившейся породной кровле пластовых выработок осуществлена на основе анализа и обобщения литературных источников по натурным исследованиям процесса расслоения породной кровли пластовых выработок с использованием известных решений в области фильтрации жидкостей и цементных растворов в трещиноватых средах и численных расчетов на ЭВМ трещинной пустотности расслоившейся кровли в зависимости от смещения породного контура выработки.
Исследование процесса нагнетания цементных растворов в расслоившуюся породную кровлю пластовых выработок осуществлено путем аналитических и лабораторных экспериментальных исследованийТпро-цесса заполнения цементационным материалом трещин расслоения и перпендикулярных им тонких трещин с использованием известных решений в обпасти фильтрации цементных растворов в трещиноватых средах, теории подобия и моделирования, численных расчетов на ЭВМ.
Разработка скважинных инъекционных устройств для цементации слоистой кровли пластовых выработок осуществлена на основе лабораторных экспериментальных исследований с изготовлением экспериментальных моделей, опытных образцов, применением теории подобия и моделирования, численных расчетов на ЭВМ.
Разработка технологии цементации неустойчивой слоистой кровли пластовых выработок осуществлена на основе анализа и обобщения ре-
зультатов выполненных аналитических и экспериментальных исследований, применения разработанных скважннных инъекционных устройств с использованием опытно-промышленных экспериментов по нагнетанию цементных растворов в расслоившуюся породную кровлю пластовых выработок.
Научные положения, защищаемые * диссертации:
- неравномерная зона цементации по длине инъекционной скважины
в расслоившейся породной кровле пластовых выработок формируется за
счет анизотропии и неоднородности ее трещинной проницаемости, причем
коэффициенты гидродинамического сопротивления образующихся трещин
расслоения и перпендикулярных им соответственно изменяются в преде
лах = 5-18 и = 20-30, а образование у контура кровли выработки не
обходимой для цементации трещинной пустотности, равной 4-5 %, проис
ходит при смещении кровли на 3ft - 45 мм;
- полное заполнение трещин расслоения цементационным материа
лом обеспечивает двукратное нагнетание нестабильного цементного рас
твора с постоянным расходом, а перпендикулярных им тонких трещин -
их предварительное гидравлическое расширение и последующее нагнета
ние стабильного цементного раствора с постоянным давлением, равным
давлению при расширении трещин, причем объем цементного раствора,
проникающего на участки тонких трещин с раскрытием 8 < 0,1-10-* ы, со
ставляет 150 - 170 % от объема раствора, находящегося на участках с рас
крытием S 0,Ы(Нм*.
- применение иньектора с фильтрационным патроном при цемен
тации трещин расслоения в процессе эксплуатации пластовой выработки
снижает в 7 -10 раз давление раствора по длине скважины в направлении
от ее забоя к устью и позволяет за счет этого предотвратить смещение и
разрушение сильно расслоившейся породы у контура выработки в про
цессе нагнетания раствора в скважину и уменьшить неравномерность зо
ны цементации вокруг устьевой и забойной частей скважины до соотно
шения 1,5-2,0, а применение инъекционного анкер-репера при цементации
в процессе проведения выработки обеспечивает нагнетание цементного
раствора в трещины расслоения в момент образования у контура кровли
выработки трещинной пустотности, равной 4-5 %;
- снижение трудоемкости и стоимости поддержания пластовых вы
работок с неустойчивой слоистой породной кровлей обеспечивает техно
логия, предусматривающая возведение в выработке базовой иеталди-
ческой рамной крепи и крепи усиления в виде упрочненных цементацией пород кровли, при зтом достижение требуемых прочностных характеристик зацементированных пород обеспечивает комплекс технических и технологических решений, включающий в себя обнаружение и изоляцию на поверхности выработки трещин, гидравлически связанных* с цементационной скважиной, цементацию трещин расслоения через, инъектор с фильтрационным патроном при упрочнении кровли в процессе эксплуатации выработки и через инъекционный анкер-репер в процессе ее проведения, цементацию тонких трещин с предварительным их гидравлическим расширением.
Научная новизна работы заключается:
- в оценке особенностей фильтрационных свойств расслоившейся породной кровли пластовой выработки и их влияния на процесс упрочнения пород цементацией;
в установлении зависимости между смещением слоистой кровли пластовой выработки после ее проведения и образующейся в кровле трещинной пустотностыо;
в обосновании возможности заполнения трещин расслоения цементационным материалом при двукратном нагнетании в них нестабильного цементного раствора способом с постоянным расходом, а трещин, перпендикулярных к трещинам расслоения, с предварительным их гидравлическим расширением;
в обосновании параметров способа цементации трещин расслоения в процессе эксплуатации пластовой выработки через инъектор с фильтрационным патроном, а в процессе ее проведения через инъекционные анкер-реперы;
в обосновании и разработке принципов обнаружения и изоляции на поверхности пластовой выработки трещин, гидравлически связанных с цементационной скважиной, лежащих в основе технологии упрочнения слоистой кровли цементацией.
Обоснованность идостоверность тучных наложений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- применением известных методов в области фильтрации жидкостей
и цементных растворов в трещиноватых средах, теории подобия и моде
лирования; і! :.
удовлетворительной сходимостью результатов аналитических и экспериментальных исследований процесса заполнения трещин цементационный материалом в расслоившейся кровле пластовых выработок;
положительными результатами опытно-промышленной проверки основных положений диссертационной работы на угольных шахтах.
Личный шклад автора заключается:
в установлении степени анизотропии и неоднородности трещинной проницаемости в расслоившейся породной кровле пластовых выработок;
в установлении взаимосвязи между трещинной пустотностью, образующейся в кровле пластовой выработки, и смещением ее контура . и. разработке способа цементации трещин расслоения в процессе проведения пластовой выработки через инъекционные анкер-реперы;
в проведении аналитических и экспериментальных исследовании по установлению закономерностей заполнения трещин расслоения цементационным материалом при двукратном нагнетании в них нестабильного цементного раствора с постоянным расходом и разработке способа двухступенчатого нагнетания цементных растворов в трещины расслоения кровли пластовых выработок;
в проведении аналитических и экспериментальных исследований по установлению закономерностей процесса цементации тонких трещин с их предварительньш гидравлическим расширением и разработке способа цементации тонкотрещиноватых горных пород;
в разработке принципиальной конструкции инъектора с фильтрационным патроном для снижения давления по длине скважины в направлении от ее забоя к устью при цементации трещин расслоения в кровле пластовых выработок, проведении лабораторных исследований по определению рациональных параметров инъектора и разработке способа цементации трещин расслоения в процессе эксплуатации пластовой выработки через инъектор с фильтрационным патроном;
в обосновании и разработке способов формирования на поверх-ности пластовой выработки дискретного изолирующего покрытия;
в проведении опытно-промышленных испытаний разработанных технологических решений на угольных шахтах.
Научное значачи работы заключается в установлении закономерностей процесса распространения цементных растворов в расслоившейся породной кровле пластовых выработок и разработке на их основе технологии ее упрочнения цементацией.
Практическая ценность. Применение разработанных технических и технологических решений по последующему упрочнению цементацией неустойчивой слоистой породной кровли пластовых выработок при их проведении и эксплуатации позволяет качественно цементировать трещины на. заданном расстоянии от контура выработки, сократить расход маі-териалоа на изоляцию ее поверхности, повысить устойчивость пластовых выработок и,„в целом, сократить трудоемкость и стоимость их крепления и поддержания.
Область приметная. Неустойчивая слоистая породная кровля пластовых выработок в процессе их проведения или эксплуатации на тонких и средней мощности пологих и наклонных пластах при расчетных смещениях кровли, превышающих конструктивную податливость крепи.
Реализация работы. Основные положения диссертационной работы вошли составной частью в следующие нормативные руководящие документы:
-
Рекомендации по технологии последующего упрочнения горных пород цементацией без нанесения на поверхность выработки сплошного изолирующего покрытия (утв. Департаментом угольной промышленности Министерства топлива и энергетики РФ в 1997 г.).
-
Руководство по технологии возведения крепи инъекционными методами и противофильтрационных завес при пересечении пожароопасных угольных пластов (утв. Кузнецким округом Госгортехнадаора РФ в 1999г). .
Разработанная технология упрочнения цементацией неустойчивой слоистой породной кровли пластовых выработок прошла опытно-промышленную проверку на участках вентиляционного штрека лавы № 362 пласта XII уклонного поля № 7 шахты "Березовская" АО "Северокузбассуголь" и откаточного штрека шахты "Линдзя" треста "Лунко" Китайской Народной Республики. Экономический эффект от применения разработанной технологий на шахте "Березовская" в ценах 1995 г. составил і 73.280.000 руб.
Кроме этого, эффективность разработанных инъекционных анкер-реперов подтверждена их успешным испытанием в путевом квершлаге бывшего Кушеяковского участка шахты "Нагорная" концерна "Южкузбассуголь", а отдельные элементы технологии, учитывающие деформационное поведение тампонируемого массива, внедрены в клетевом
стволе шахты им. Ленина и вентиляционной стволе шахты "Распадская" концерна "Южкуабассуголь".
Основные технические и технологические решения, разработанные в диссертационной работе, вошли составной частью в комплексную работу "Разработка и широкомасштабное внедрение новых высокоэффективных управляемых технологий фориирования цементационных завес вокруг выработок для обеспечения безаварийной эксплуатации угольных шахт в условиях обводненных и нарушенных горных пород", за выполнение которой в 1998 г. присуждена премия Правительства Российской Федерации в области науки и техники.
Результаты исследований используются в учебном процессе при чтении лекций, проведении практических занятий и выполнении курсовых проектов по дисциплине "Строительство выработок в сложных горногеологических условиях" в Кузбасском государственном техническом университете и Шаньдунскоы горном институте (КНР).
Аяробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно-техническом совещании "Научно-технические проблемы ускорения строительства новых горизонтов, проведения горных выработок в условиях глубоких шахт" (Донецк, 1985), Всесоюзной научно-практической конференции "Социально-экономические проблемы достижения коренного перепома в эффективности развития производительных сип Кузбасса" (Кемерово, 1988), Всесоюзном научно-техническом совещании "Пути улучшения состояния горных выработок" (Москва, 1989), научных чтениях на тему: "Технико-экономический анализ и теория проектирования в горном деле", посвященных 100-легию со дня рождения акадеиика А.С. Попова (Алма-Ата, 1991), III Международной научно-практической конференции "Перспективы развития горнодобывающей промышленности" (Новокузнецк, 1996), научно-производственной конференции "Пути сокращения сроков и повышения эффективности сооружения вертикальных стволов" (Шахты, 1996), II Международной конференции "Нетрадиционные и эффективные технологии разработки месторождений полезных ископаемых" (Новокузнецк, 1997), научно-производственной конференции "Прохождение вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок при строительстве новых шахт" (Новочеркасск, 1997), Международной научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (Кемерово,
1991), научно-технических совещаниях ОАО "Кузниишахтострой" (Кемерово, 1997), концерна "Кузбассшачі острой" (Кемерово, і997), треста "Лунко" и Шаадуньского горного института (КНР. 1997), ученом совете Института горного деда СО РАИ (Новосибирск, 1996, 1997), ежегодных научных конференциях КузГТУ (1987-1998).
Публикации. По вопросам цементации трещиноватых горных пород опубликовано 68 печатных работ. Основное содержание диссертации изложено в 45 научных работах, включая дне монографии, 9 авторских свидетельств и 3 патента на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 204 наименований. 7 приложений; изложена на 303 страницах машинописного текста и содержит 52 рисунка и 35 таблиц.
