Содержание к диссертации
Введение
Глава I Анализ путей повышения эффективности сооружения глубоких шахтных стволов в сложных горно-геологических условиях 9
1.1. Анализ перспективных способов борьбы с водопритоками при сооружении выработок в закарстованных массивах горных пород 9
1.2. Анализ существующих теоретических представлений о процессе тампонирования
крупных карстовых пустот 27
Выводы 37
Глава 2 Аналитические исследования процесса формирования изоляционных завес в крупных карстовых пустотах 38
2.1. Исследование процесса доставки вязко-пластичных систем в структурном режиме по трубопроводам 38
2.2. Исследование процесса заполнения крупных карстовых пустот структурированными
вязко-пластичными системами 47
Выводы 61
Глава 3 Разработка методик расчета, проектирования и технологии тампонажа крупных карстовых пустот при сооружении вертикальных горных выработок 63
3.1. Методика получения исходных данных для проектирования параметров формирования изоляционных завес в закарстованных массивах горных пород 63
3.2. Разработка методики подбора оптимальных параметров тампонажного раствора и
технологии его нагнетания 69
3.3. Разработка методики расчета основных параметров изоляционных завес в закарстовашых массивах горных пород 74
3.4. Разработка методов оценки прочностных и фильтрационных свойств изоляционных завес, сформированных в закарстованных массивах горных пород 84
Выводы 100
Глава 4 Промышленный эксперимент по тампонажу крупных карстовых пустот на Добруджанском угольном месторождении НРБ 102
4.1. Разработка исследования оптимального состава тампонажного раствора для условий Добруджанского месторождения НРБ 102
4.2. Методика производственных исследований процесса тампонажа крупных карстовых
пустот 117
4.3. Результаты промышленно-экспериментального тампонажа крупных карстовых пустот 121
Выводы 146
Глава 5 Промышленное внедрение разработок 147
Выводы 161
Глава 6 Технико-экономическая эффективность результатов исследований 162
Выводы 171
Заключение 172
Литература 178
- Анализ перспективных способов борьбы с водопритоками при сооружении выработок в закарстованных массивах горных пород
- Исследование процесса доставки вязко-пластичных систем в структурном режиме по трубопроводам
- Методика получения исходных данных для проектирования параметров формирования изоляционных завес в закарстованных массивах горных пород
- Разработка исследования оптимального состава тампонажного раствора для условий Добруджанского месторождения НРБ
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года, принятыми на ХХУІ съезде КПСС, предусматривается осуществлять дальнейшее развитие добычи угля, что потребует большого количества новых и реконструкции действующих шахт / I /. Возрастающие потребности в топливе обусловливают необходимость освоения угольных месторождений, залегающих в сложных горно-геологических условиях.
Одним из условий повышения технико-экономических показателей шахтного строительства является эффективность борьбы с водо-притоками при сооружении шахтных стволов.
Развитию специальных способов сооружения капитальных горных выработок в сложных горно-геологических условиях посвящены работы многих исследователей: Н.Г. Трупака, Н.М. Покровского, Г.И. Маньковского, И.И. Вахрамеева, А.П. Максимова, Э.Я. Кипко, И.Д. Насонова, Е.П. Калмыкова, М.А. Саламатова, Ю.А. Полозова, О.Ю. Лушниковой, В.А. Лагунова, Ю.Н. Спичака, П.П. Гальченко, Е.Г. Дуды и других. Из зарубежных исследователей специальных способов проходки следует отметить А. Камбефора, Э. Маага, Г. Хефели.
В нашей стране одним из наиболее прогрессивных направлений в решении проблемы борьбы с водопритоками при строительстве глубоких шахт в сложнейших горно-геологических условиях является разработанный в объединении "Спецтампонажгеология" под руководством докт.техн.наук Э.Я. Кипко комплексный метод тампонажа обводненных трещиноватых горных пород через скважины, пробуренные с поверхности земли.
Комплексный метод тампонажа успешно внедрен не только у нас в стране, но и за рубежом. Метод получил широкое распростра- нение как при проходке шахтных стволов, так и при сооружении в сложнейших гидрогеологических условиях протяженных горизонтальных выработок и околоствольных дворов, тоннелей, ликвидации остаточных водопритоков и внезапных прорывов подземных вод в горные выработки / 2,3 /.
Базирующийся на полном инженерном расчете всех параметров процесса изоляции, комплексный метод тампонажа обводненных горных пород позволяет сократить продолжительность сооружения шахтных стволов в среднем на 20,5 %, снизить стоимость их сооружения в среднем на 14,4 %, уменьшить трудоемкость горнопроходческих работ в среднем на 2,5 % и получить значительный экономический эффект за счет ускорения окупаемости капитальных вложений при досрочном вводе шахт в эксплуатацию / 2 /.
Дальнейшее развитие комплексный метод тампонажа обводненных горных пород получил в исследованиях Ю.А. Полозова, О.Ю.Луш-никовой, В.А. Лагунова, Ю.Н. Спичака / 4,5,6 /.
Следует отметить, что в теоретических исследованиях процесса тампонажа как в комплексном методе, так и других спецспособах, основное внимание было уделено вопросам изучения особенностей формирования изоляционных завес в трещиноватых горных породах, где течение тампонажного раствора сохраняет характер сплошного фильтрационного потока.
Вместе с тем на сегодняшний день отсутствует единая практически приемлемая обоснованная методика, охватывающая весь комплекс расчетов, необходимых при проектировании и производстве тампонажа в закарстованных массивах горных пород, содержащих крупные карстовые пустоты, - от проектных параметров процесса формирования изоляционных завес и до критериев оценки эффективности выполненных работ.
Предварительный анализ указанной проблемы показал, что наи- более целесообразно вопросы разработки методики расчета параметров и технологии процесса формирования водоизоляционных завес при сооружении глубоких шахтных стволов в закарстованных массивах горных пород решать на основе развития и совершенствования успешно применяемого в шахтном строительстве как в СССР, так и за рубежом, комплексного метода тампонажа обводненных пород.
Решению этой актуальной проблемы и посвящена настоящая работа.
Диссертационная работа выполнялась автором в 1976-1984 годах в специализированном производственном геологическом объединении по тампонажним и геологоразведочным работам "Спецтампонаж-геология" Минуглепрома УССР и на кафедре СПСиШ Шахтинского филиала Новочеркасского политехнического института им. Серго Орджоникидзе под руководством докт.техн.наук, проф. Э.Я. Кипко.
Тема исследований, выполненных автором, имеет тесную связь с головной темой 1501 цроблемы XIX, предусмотренной директивным письмом Минуглепрома СССР Д-65 от 22.ІУ.1975 года.
На основе разработанных методики проектирования и технологии производства тампонажних работ в закарстованных массивах горных пород при непосредственном участии автора выполнены и переданы болгарской стороне с высокой оценкой "Научно-технические рекомендации по технологическим схемам, техническим средствам и режимам нагнетания при сооружении ствола (стволов) на Добруджанском угольном месторождении НРБ" и "Проект технологии тампонажа Валанжинского водоносного горизонта при сооружении разведочно-экспериментальных стволов шахты "Добруджа" Добруд-жанского угольного месторождения НРБ".
При проведении исследований автор пользовался содействием и помощью коллег в Тематической экспедиции п.о. "Спецтампонаж-геология", которым выражает искреннюю благодарность. Автор иск- _ 7 - ренне признателен лауреатам Государственной премии СССР, канд. техн.наук Ю.А. Полозову, В.А. Лагунову и О.Ю. Лушниковой за постоянное внимание к проводимым исследованиям и оказанную помощь при выполнении работы.
Основные положения диссертации опубликованы в 5 печатных работах. Научные положения и основные результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научно-практической конференции, посвященной 25-летию образования Шахтинско-го филиала ШШ, г. Шахты, 1983 год, заседаниях кафедры строительства подземных сооружений и шахт Шахтинского филиала HIM, г. Шахты, 1981, 1982, 1983, 1984 гг., на научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава Новочеркасского политехнического института, г. Шахты, 1984 год, на научно-техническом совете объединения "Спецтампонажгеология", г. Антрацит, 1984 год.
Работа состоит из шести глав с введением и заключением, содержащих 189 страниц машинописного текста, 23 таблицы, 31 рисунок и список использованной литературы из 114 наименований.
По теме диссертационной работы автор защищает:
1. Некоторые теоретические положения, определяющие законо мерности процесса формирования изоляционных завес в закарстован- ных массивах горных пород с учетом регулирования реологических и структурно-механических свойств вязко-пластичных тампонажных растворов.
Новую технологию водоизоляции крупных карстовых пустот через скважины, пробуренные с поверхности земли.
Усовершенствованную методику расчета параметров формирования изоляционных завес при сооружении шахтных стволов в за-карстованных массивах горных пород.
Результаты промышленно-экспериментального тампонажа крупных карстовых пустот.
5. Новую методику контроля прочностных и фильтрационных свойств изоляционных завес, сформированных в закарстованных массивах горных пород.
Автор выражает глубокую благодарность лауреату Государственной премии СССР, доктору технических наук, профессору Э.Я. Кип-ко за большую ваучно-методическую помощь, оказанную им при выполнении настоящих исследований.
Анализ перспективных способов борьбы с водопритоками при сооружении выработок в закарстованных массивах горных пород
Одним из основных факторов, существенно влияющих на темпы проходки шахтных стволов и других капитальных горных выработок, является обводненность пород.
Сооружение горных выработок в обводненных горных породах представляет собой сложную инженерную задачу, неразрешимую без применения специальных способов работ, являющихся в отдельных случаях единственно возможными и экономически целесообразными.
В сложных горногеологических условиях предварительное подавление водопритоков при сооружении капитальных горных выработок является, как правило, основным из путей повышения эффективности шахтного строительства.
Для предупреждения притоков подземных вод в горные выработки при их проходке применяют различные традиционные спецспособы: замораживание обводненных горных пород и тампонаж. Каждый из применяемых специальных способов сооружения горных выработок является эффективным в определенных горногеологических условиях.
Искусственное замораживание обводненных горных пород является универсальным способом водоизоляции при сооружении горных выработок в сложных гидрогеологических условиях. С применением способа замораживания до 1980 г. в нашей стране было пройдено в угольной промышленности 48 %, в горнорудной - 60 % и горнохими - 10 ческой - 75 % всех шахтных стволов /7 /. Сущность способа искусственного замораживания заключается в формировании в обводненных горных породах вокруг места расположения будущей горной выработки временного ледопородного ограждения на период ее проходки. Соответствующим понижением температуры достигают прочности ледопородного ограждения» позволяющей выдержать как гидростатическое давление подземных вод, так и давление горных пород. Замерзшая вода заполняет трещины в грунте, сцепляя отдельные его структурные элементы в монолитный ледогрунтовый массив. В качестве холодильных агрегатов применяют аммиак, углекислоту-, фреон /8 /.в последние годы дон замораживания стали применять жидкий азот / 9 /. Несмотря на возможность использования способа замораживания для формирования ледопородных ограждений как в неустойчивых (пески, глины, плывуны), так и в скальных трещиноватых обводненных горных породах, существует ряд факторов, ограничивающих область его применения. К ним относятся: высокие трудоемкость и стоимость комплекса работ по замораживанию, временная защита от подземных вод, требующая в дальнейшем возведения специальной тюбинговой крепи - процесса весьма трудоемкого, длительного и дорогостоящего; сравнительно небольшие значения допустимых (критических) скоростей фильтрации замораживаемой воды VKP =2,6 м/сут. / 7 /. Кроме того, применение способа замораживания на больших глубинах ( 700 м и более) представляет собой серьезную проблему, обусловленную необходимостью бурения для обеспечения надежности ледопородного ограждения практически вертикальных скважин; согласно СНиП Ш Б-9-69 отклонение замораживающих скважин от вертикали допускается в пределах.
В этой связи, замораживание применяют в исключительно сложных горногеологических условиях, в большинстве своем, когда водоносные горизонты представлены плывунными неустойчивыми горными породами/ 7,8,9,10,11,12,13 /.
В крепких горных породах скального типа (песчаники, граниты, известняки и т.д.) основным специальным способом проведения горных выработок является тампонаж.
Тампонаж - искусственное заполнение полостей и трещин в горных породах различными тампонажними материалами с целью как водо-и газоизоляции сооружаемых выработок, так и для стабилизации и упрочнения горного массива, осуществляемое путем нагнетания через скважины. В шахтном строительстве различают предварительный и последующий тампонаж / 12,14,15 /.
Предварительный тампонаж обводненных горных пород осуществляют до начала проходки горной выработки, последующий - после ее сооружения. Предварительный тампонаж осуществляется как через скважины, пробуренные с поверхности, так и из забоя выработки.
Исследование процесса доставки вязко-пластичных систем в структурном режиме по трубопроводам
Применяемые при формировании изоляционных завес как цемент-ше» так и глиноцементные растворы относятся к типу неныотонов-ских жидкостей и представляют собой аномально-вязкие гетерогенные системы, реологическое поведение которых наиболее часто описывают уравнением Шведова-Бингама / 20 /. градиент скорости по нормали к потоку. ОІ п Так называемая "аномальная вязкость" тампонажных систем, заключающаяся в зависимости величины внутреннего трения между слоями от градиента скорости по нормали к направлению течения, обусловлена образованием при определенных условиях структуры, характер которой тесно связан со сложными физико-химическими процессами, происходящими как на поверхности частичек глины или цемента, так и в прилегающих к ним слоях дисперсионной среды /15, 20 /.
Реологические характеристики структурированных тампонажных систем в первом приближении определяются следующими основными параметрами: динамическим напряжением сдвига l0 , предельным на-пряжением сдвига I , напряжением сдвига, соответствующим предельному разрушению структуры Lm , структурной вязкостью О , вязкостью практически неразрушенной структуры Го и вязкостью предельно разрушенной структуры Г[т /15,20,45 /.
Реологическая кривая дисперсных структурированных систем приведена на рис. 2.1.
Для описания деформационного поведения тампонажних систем с аномальной вязкостью обобщенным уравнением Шведова-Бингама (2.1) рассматривается не полная реологическая кривая ABC, а ее прямолинейный отрезок ВС.
Как отмечает большинство специалистов, занимающихся вопросами кинетики вязко-пластичных тел / 15,20 /, для практических расчетов их течения наиболее целесообразно использовать значения динамического напряжения сдвига 10 и структурной (пластической) вязкости Г - реологических параметров, характеризующих структурно-механические свойства дисперсных тампонажных систем в потоке.
Методы исследований и определения как реологических, так и структурно-механических свойств тампонажных систем и их критическая оценка даны в работах целого ряда авторов /14,15,56,57,58 / и поэтому нами не анализируются, в дальнейшем при исследовании и разработке параметров глиноцементного тампонажного раствора будут использованы методики, разработанные в объединении "Спецтампонаж-геология" под руководством профессора Э.Я. Кипко и хорошо зарекомендовавшие себя в практике тампонажных работ с применением глиноцементних растворов / 15,35,59/.
Формирование изоляционных завес не может осуществляться без движения тампонажного раствора, поэтому течение и деформация являются одними из основных его состояний. В этой связи представляется целесообразным рассмотреть некоторые особенности течения дисперсных тампонажных систем и методы их оценки. Рассмотрим особенности течения вязко-пластичных систем в круглой цилиндрической
Движение вязкопластичных тампонажних систем для данных условий характеризуется тремя безразмерными параметрами /60,61,62 /. Re - параметр Рейнольдса; 5еп(И) - параметр Сен-Венана (Ильюшина); А. - безразмерный параметр, представляющий отношение сил перепада давления к силам динамического напряжения сдвига;
Из-комбинации параметров К Є и Оеп(П)можно получить безразмерный параметр Не (Хедстрема) и обобщенный критерий Рейнольдса / 60,61 /.
Методика получения исходных данных для проектирования параметров формирования изоляционных завес в закарстованных массивах горных пород
Эффективность тампонажа обводненных горных пород в значительной мере определяется полнотой и достоверностью исходной гидрогеологической информации на стадии проектирования тампонажних работ.
При проектировании изоляционных завес в закарстованных массивах необходимо знать местонахождение карстовых пустот, геометрические размеры карстов и трещин, фильтрационные параметры тампонируемого массива.
Специалисты, занимавшиеся изучением карста, отмечали неравномерность распределения и изменчивость поперечного сечения проводящих каналов, что крайне затрудняет их изучение даже при тщательном выполнении разнообразного комплекса исследований и почти всегда исключает применение общеизвестных уравнении для однородной среды / 76,79,80,81,82,83 /.
Как показал анализ существующих методов получения исходных данных о параметрах трещиноватости и фильтрационных свойствах обводненных горных пород, наиболее эффективными являются гидродинамические методы исследования / 4,5,6,15,84,85,86,87 /.
Для определения фильтрационных параметров закарстованных горных пород в объединении "Спецтампонажгеология" под руководством лауреата Государственной премии СССР, канд. техн. наук .О.Ю. Лушниковой при участии автора разработана следующая методика.
Местонахождение карстов и трещин определяется методом расхо-дометрии на основе графика изменения расхода жидкости по скважине при ее возбуждении наливом или откачкой. По законам гидродинамики интервал поглощения (водопритока) в скважине будет всегда соответствовать интервалу карстовой пустоты.
Разработка исследования оптимального состава тампонажного раствора для условий Добруджанского месторождения НРБ
В качестве основы глиноцементного тампонажного раствора исследовались глинистые растворы, приготовленные на базе глины месторождения Горен-Близнак НРБ полиминерального состава ( монтмориллонит, гидрослюда, каолинит), химический и гранулометрический составы ее приведены в табл. 4.1.
Для получения высококачественных глиноцементних растворов при их разработке исходный глинистый раствор должен ориентировочно иметь следующие параметры / 34,35 /:
- плотность р = 1180 - 1300 кг/м3;
- содержание песка - не более 8-Ю %;
- условная вязкость по СПВ - от 30 сек. до "не течет";
- статическое напряжение сдвига - 5 15 Па;
- водоотдача по ВМ-6 - 25 -І- 45 см3 за 30 мин.
При этом наиболее эффективными являются растворы, обладающие максимальными реологическими характеристиками при минимальном их удельном весе, что обеспечивает меньшую растекаемость раствора в крупных полостях за счет гравитнционных сил. Основными из перечисленных параметров глинистого раствора являются статическое напряжение сдвига и условная вязкость, обусловливаемые наличием структуры. Нижние пределы этих величин (У = 5 Па и Т = 30 сек.) определяют способность структуры удерживать во взвещенном состоянии частицы цемента и песка, способствуя этим получению сравнительно однородной суспензии с необходимыми структурно-механическими характеристиками.
