Введение к работе
Актуальность работы. Кузнецкий угольны)! бассейн является основной топливно-энергетической базоіі России. Угольные пласты месторождєшій бассейна залегают в основном в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях, разбиты геологическими нарушениями. Территорию месторождений пересекают множество рек, ручьев, обводненных балок, болот и других водных объектов.
Под водными объектами во избежание прорывов воды в горные выработки шахт и их затопленій оставляют большие по размерам и запасам предохранительные целики, которые увеличивают потери угля, нарушают нормальное ведение горных работ, вызывают необходимость проходки разрезных печей, оконтуривающих выработок, частого перемонтажа технологического оборудования, увеличивают протяженность поддерживаемых выработок и ухудшают вентиляцию. Запасы угля в целиках превышают 1 млрд. т. Это в основном вскрытые запасы. Расположены они на малой глубине от земной поверхности, где слабо проявляется горное давление, отсутствуют газодинамические проявления.
Отработка только части этих запасов позволит повысить фондоотдачу основных средств, снизить потери угля в недрах, продлить срок службы многих шахт и горизонтов без снижения добычи и улучшить технико-экономические показатели работы горных предприятий.
Разработка угольных месторождений в обводненных породах связана с увеличением притоков воды в выработки, ухудшением несущей способности почвы и устойчивости кроачи, ухудшением санитарно-гигиенических условий работы горняков. В Кузбассе на пологих пластах мощностью 1,5-2 м при притоках воды в лаву 15-20 м 3/ч производительность механизированных комплексов снижается до 80 %.
На угольных разрезах из-за обводненности взрывные скважины в процессе бурения заполняются водой, поэтому закладываемые в них В В разлагаются, снижается эффективность взрывных работ. Водоустойчивые ВВ дефицитны, в три раза дороже водонеустойчивых. Применение их ведет к удорожанию добытого угля. К тому же мокрый уголь при транспортировке в железнодорожных вагонах при отрицательной температуре наружного возду-
ха смерзается, возникают трудности с его выгрузкой. На разрезах в водоносных породах происходят оползни, которые нередко ведут к катастрофическим последствиям.
В отечественной и зарубежной практике пока нет достаточно эффективных технологий разработки угольных пластов в обводненных породах.
В ИГД им. А.А. Скочинского д.т.н. И.В. Хохловым созданы геомеханические основы разработки обводненных угольных месторождений. В дашюй работе на их основе разработана экологически чистая технология ограничения притоков воды в горные выработки шахт, во взрывные скважины на угольных разрезах. Она базируется на использовании недефицитных, дешевых, нетоксичных гелеобразующих составов.
При этом актуальными научными задачами являются выбор способов и средств борьбы с подземными водами, исследование физико-механических и технологических свойств гелеобразующих растворов, исследование коллек-торских свойств горных пород и технологического взаимодействия пород и гелеобразующих растворов, разработка технологии и комплекса оборудования для нагнетания растворов в массив, установление технологических зависимостей, режимов и параметров. Необходимо также исследовать и разработать технологии создания противофильтрационных завес для защиты очистных и подготовительных выработок, скважин на открытых и подземных работах от водопритоков.
Результаты работы были получены автором в процессе выполнения совместных научных исследований ИГД им. А.А. Скочинского и ВостНИИ по планам НИР за 1989 - 1995 г.г.
Цель диссертации: разработать эффективную технологию снижения водопритоков в горные выработки посредством создания противофильтрационных завес в массиве пород.
Идея работы: использовать для ограничения водопритоков в горные выработки противофильтрационные завесы в слабопроницаемых породах, возводимые посредством нагнетания в массив коллоидных растворов.
Задачи исследований:
- на основании проведенного анализа выбрать способ ограждения горных выработок от подземных вод;
определить физико-механические и технологические свойства химических растворов рашгчных составов для создания противофильтрационных завес,
установить фильтрационные свойства водоносных пород и зависимости фильтрации в них гелеобразующих растворов от технологических факторов;
разработать метод расчета и определить оптимальные технологические параметры тампонажа массива горных пород гелеобразуюшими составами;
разработать технологию нагнетания гелеобразующих составов в массив горных пород;
разработать технологию ограничения притоков воды в горные выработки с использованием противофильтрационных завес.
Методы исследований предусматривали анализ литературных данных, проведение экспериментальных исследований, натурные испытания, статистическую обработку и интерпретацию полученных результатов, их теоретическое обобщение.
Для решения поставленных задач применялись методы:
лабораторных исследований по определению динамической вязкости, сдвигающего напряжения, реологических показателей гелеобразующих составов, предела прочности на сжатие образцов, пластичности и размываемо-сти геля водой;
лабораторных исследований технологических параметров: адгезионной способности, водопроницаемости, времени перехода в тпсрдопластичное состояние гелеобразующих составов;
исследования на специальной установке коллекторских свойств горных пород и эффективности гелеобразующих растворов;
комплекса геофизических измерений при натурных исследованиях фильтрационных свойств водоносных пород;
шахтных экспериментов для установления технологических параметров и эффективности тампонирования массива.
Достоверность и обоснованность результатов диссертации подтвержда-
ются:
большим количеством экспериментально-аналитических исследований, выполненных с использованием стандартного аналитического оборудования;
испытаниями гелеобразующих растворов в условиях научно-исследовательских и промышленных объектов;
удовлетворительной сходимостью результатов натурных исследований с рассчитанными параметрами (относительная ошибка составляет 12-18 %).
Научные положения, выносимые на защиту:
на локальных участках угольных месторождений и шахтных полей со средней и слабой водопроницаемостью эффективным, по сравнению с другими, является инъекционный способ создания противофильтрацпонных завес вокруг горных выработок;
для создания противофильтрационных завес наиболее целесообразно использовать технологические растворы, представляющие коллоидные системы;
необходимыми технологическими свойствами, обладают растворы на основе высокомолекулярного неорганического вещества с кислотными добавками;
управление технологическими свойствами растворов, нагнетаемых в массив, осуществляется посредством технологического регулирования состава и концентрации входящих в них составляющих;
коллекторские и фильтрационные свойства горных пород описываются моделью трещинно-пористой среды с системой блоков, разделяемых системами трещин и обладающей пористостью;
одним из важнейших показателей эффективности тампонирования является дальность (радиус) растекания гелеобразующего раствора в массиве; она зависит от сочетания природных факторов (свойств и структуры массива пород), технологических свойств растворов и параметров технологии нагнетания;
технология нагнетания тампонажных растворов в породный массив включает подбор составов с заданными технологическими свойствами, там-понажный комплекс для нагнетания растворов в массив и метод расчета технологических параметров тампонирования;
- технология ограждения горных выработок (очистных, подготовитель
ных и скважин) включает схемы, способы и параметры создания противо
фильтрационных завес в водоносном слое в различных технологических си
туациях (вокруг очистных, подготовительных выработок и скважин).
Научная новизна работы заключается в том, что получены научные обоснования и разработана эффективная экологически чистая технология ограничения притоков воды в горные выработки шахт и взрывные скважины.
При выполнении работы:
на основании анализа обоснован выбор для локальных участков месторождений и шахтных полей наиболее эффективной меры защиты горных выработок от обводнения в виде способа создания противофильтрационных завес;
обосновано применение технологических растворов, представляющих собой коллоидные системы, для создания противофильтрационных завес в массиве горных пород;
впервые по результатам экспериментальных исследований установлено, что наиболее эффективными растворами для создания противофильтрационных завес являются растворы, приготовленные на основе высокомолекулярного неорганического вещества с кислотными добавками, регулирующими время перехода раствора в твердопластичное состояние;
впервые проведены натурные исследования фильтрационных свойств водоносных пород и установлена дальность растекания тампонажного раствора;
научно обоснована технология приготовления тампонажного гелеоб-разующего раствора и предложен комшіекс для его нагнетания в массив горных пород;
-впервые установлены технологические зависимости времени гелеобра-зования силикатного состава от концентрации наполнителя, вязкости силикатного раствора;
- разработана технология и определены ее параметры для ограничения
притоков воды в горные выработки с использованием противофильтрацион
ных завес.
Личный вклад автора состоит:
в обосновании применения противофильтрационных завес как средства защиты от обводнения на локальных участках месторождений и шахтных полей;
в обосновании выбора и использовании для создания противофильтрационных завес технологических растворов, представляющих собою коллоидные системы;
в получении новых сведений о составе, физико-механических- и технологических свойствах инъекционных растворов на основе силиката натрия с кислотными добавками, регулирующими время перехода в твердопла-стичное состояние;
в разработке метода расчета оптимальных технологических параметров тампонажа;
- в обосновании и разработке технологии применения гелеобразующих реагентов на основе жидкого стекло для создания противофильтрационных завес в
породном массиве;
- в исследовании и установлении фильтрационных свойств водоносных
горных пород в натурных условиях угольных шахт и разрезов;
- в разработке технологии ограничения притоков воды в очистные и
подготовительные выработки, вентиляционные скважины угольных шахт,
взрывные скважины угольных разрезов.
Практическое значение работы состоит в том, что результаты выполненных исследований позволяют:
использовать на участках месторождений и шахтных полей с повышенной водоносностью для защиты горных выработок от обводнения инъекционный способ создания противофильтрационных завес;
использовать в технологиях создания противофильтрационных завес растворы на основе силиката натрия с инициирующей добавкой в виде кислой соли хлорида или сульфата аммония и пластификатора в виде полиакрила-мида;
подбирать составы гелеобразующих технологических растворов для создания противофильтрационных завес с заданными свойствами и управлять технологическими режимами;
осуществлять технологию приготовления тамлонажных силикатных гелеобразующих растворов;
использовать предложенный и испытанный в работе технологический комплекс для нагнетания растворов в тампонируемый массив пород;
проводить предварительные технологические расчеты для определения оптимхтьньгх параметров тампонажа массива горных пород;
применять и разрабатывать новые технологические схемы создания противофильтрационных завес в водоносном слое для защиты очистных и подготовительных выработок, вентиляционных скважин угольных шахт и разрезов.
Реализашія результатов работы в промышленности. Основные результа
ты работы использованы в промышленности в виде технологии создания
противофильтрационных завес; технологии защиты вентиляционных сква
жин; технологически рецептов гелеобразующих составов при создании про
тивофильтрационных завес на шахтах "Пионерка", "Западная" АООТ
"Беловоуголь", "Омсукчан-ская" и "Беринговская" АООТ
"Северовостокугсль", "Аабапская" ПО "Караган-дауголь", на разрезе "Барзасский".
Апробация работы. Основные положения и результаты работы рассматривались в Центральном научно-исследовательском институте специального машиностроения (Хотьково, Московской обл., 1991), на научных семинарах в ИГД им. А.А. Скочинского (Люберцы, 1991 - 92), в ВостНИИ (Кемерово, 1991 - 94), КузГТУ (Кемерово, 1992, 1996), на НТС шахт "Пионерка", "Западная" (Белово, 1991 - 96), НТС АООТ "Северовостокутоль" (Магадан, 1992), на II Международной научно-практической конференции "Реформирование экономики региона: опыт, проблемы, перспективы" (Кемерово, 1996).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в монографии и в четырех научных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов, изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка , 17 таблиц, список литературы из 65 наименований.
