автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Разработка безопасной технологии защиты горных работ от притоков подземных вод в угольных шахтах

МИНИСТЕРСТВО ТОПЛИВА И ЭНЕРГЕТИКИ РФ Государственный Восточный научно-исследовательский институт по бе »опасности работ в горной промышленности (ВостНИИ)

и м

На правах рукописи '! Л ШУМАКОВ ВАЛЕНТИН ИЛЬИЧ

УДК 622.822:622.272.6:622.514

РАЗРАБОТКА БЕЗОПАСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЗАЩИТЫ ГОРНЫХ РАБОТ ОТ ПРИТОКОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Специальности : 05.26.01 - "Охрана труда и пожарная безопасность" 05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых'

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук, в форме научного доклада

Кемерово 1995

Работа выполнена в Институте горного дела им. А.А.Скочинского, - Государственном Восточном научно-исследовательском инсгнтугс по безопасности работ в горной промышленности и на иконах Кузбасса.

' Научный руководитель:

чоктор технических наук, авалем» Международной Академии наук но »колоши н безопасности жнше-деятельности, заслуженный деятель науки н техники 1'Ф и Коми ЛССР. ИВАН ВАСИЛЬЕВИЧ ХОХЛОВ.

Официальные онпон »ты:

доктор технических на\к.профессор ЛИВ ПЕТРОВИЧ БПЛАВЕНЦЕВ; док юр технических на\к,профессор ПЕТР ВАСИЛЬЕВИЧ'ЕГОРОВ

Ведущая организация:

Кузнецкий научно-исследовательский угольный институт (КуэЙИУИ)

Защити диссертации состоится V) сентября 1995 г.в 10 час на заседании специализированного . совета К.35.02.01 нри Государственном Восточном научно-исследовательском институте по безопасности работ в горной промышленности (650002, г.Кемерово, ул.Институтская, 3). ,

С диссертацией можно оадаком^му в библиотеке института.

Диссертация разослана ^О_1995 г

Ученый секретарь специализированного . __

соцета, канд техн. наук ^у^у^У^лЖй^ъ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации, представленной в форме научного доклада, изложены результаты выполненных автором научных исследований, позволивших создать и внедрит». безопасную и эффективную технологию зашиты горных выработок от притоков подземных вод в угольных шахтах, которые нашли отражение в опубликованных в 19941995 гг. работах.

Актуальность работы, Все эксплуатируемые угольные месторождения и бассейны Российской Федерации в большей или меньшей степени обводнены. Наибольшие приз лги в оды в шихты отмечаются при разработке пластов на глубинах до 200 м от земной поверхности вблизи речных долин и иод водными объектами. - также при пересечении геологических нарушений. Особую актуальность этот вопрос имеет для шахт Кузнецкого бассейна, угольные месторождения которого подвержены геологическим нарушениям и весьма сложны по гидрогеологическим условиям, т.к. на их территории находится множество рек и других водных источников, а коэффициент фильтрации пород вблизи речных долин достигает 17-20 м/сут.

Разработка угольных пластов в обводненных породах связана с поступлением воды в горные выработки, что осложняет нормальный технологический процесс добычи угля, ухудшает санитарно-гигиенические условия и может привести в раде случаев к прорыву волы и выдавливанию метана и других газов из вырабиганного пространства в "чисткой забой. Так, в лавах с мульдообразной почвой, разрабатывающих пологие пласты длинными столбами по простиранию, при притоках воды до 20 м1/':, производительность механизированных комплексов снижается на 80%.

Исследования и опыт отработки обводненных угольных месторождений показали, что наиболее надежной мерой защиты горных работ от подземных вод является оставление предохранительных целиков достаточных размеров, но это ведет к большим потерям угля. На локальных участках месторождений н шахтных полей со средней и слабой проницаемостью деформированных пород перспективным направлением защ! гы горных выработок от обводнения является разработка и внедрение инъекционного способа создания противофильтрацнонных завес с использованием нетоксичных составов, поэтому исследования в данном направлении имеют важное научное н практическое значение.

Исследования выполнялись в рамках отраслевой комплектной программы по тематическим планам институтов ИГД им.А.А.Скочинского я ВосгНИИ (№ ГРО1840067860. 01860057922).

Целью работы является издание безопасной и эффективной технологии защиты горных работ в шахтах от притоков подземных вод на основе выявленных закономерностей водопроницаемости порол и разработанных технических решет..г

Идея работы заключается в использовании механизма процессов фильтрации подземных вод для научного обоснования технических решений по созданию противофильтрационных зава- при отработке угольных пластов на обводненных участках шахтных полей. Задачи ^следовании:

изучить особенности водопроницаемости подработанного массиь<1 с различной степенью метаморфизма пород;

установить параметры процесса фильтрации воды и тампонажных растворов в деформированном массиве пород;

определить оптимальные составы тампонажных растворов из нетоксичных материалов, в том числе 'с использованием отходов углеобогащеш I и деревообработки.

обосновать и разработать технологическую схему приготовления и подачи гелеобразующнх растворов для снижения водо- и воздухопроницаемости массива пород и выработанного пространства;

разработать безопасную и эффективную технологию зашиты очистных н подготовительных забоев от притоков подземных вод.

Методы исследований._ Используется комплекс методов

исследований, включающий научное обобщение н анализ отечественного и зарубежного опыта разработки обводненных угольных месторождений; аналитические расчеты коэффициента фильтрации пород с применением ЭВМ; лабораторные исследования по вь оору оптимальных составов гампонажных растворов; шахтные эксперименты для определения радиуса распространения тампонажных растворов: опытно-промышленные испызания и внедрение разработанных технических решений; технико-экономический анализ. Научные положения, выносимые на защиту: установленные закономерности процесса фильтрации через подрабатываемый массив горных пород составляют базу данных для прогнозирования притоков воды при проектировании и ведении горных работ на обводненных участках шахтных нолей;

пространственное формирование зон повышенной водопроницаемости зависит от наличия, мощности и местоположения водоупорных слоев и характера деформации подработанного массива горных пород и определяет целесообразность н безопасность веления горных работ под этими зонами;

снижение - водо- и воздухопроницаемости деформированных пород достигается на основе использования принципа повышения вязкости водь с последующим перевод м ее в гелеобразное вещество.

которое заполняет техногенные трещины, препятствуя фильтрации воды и воздуха;

защита подготовительных и очистных забоев от притока в них подземных вод обеспечивается созданием проти^фильтрационных завес, сооружаемых в деформированном массиве пород из тампонажных составов на основе жидкого стекла и отходов углеобогащения и деревообработки.

Достоверность и обоснованность . научных положений, рекомендаций и выводов подтвержда тся:

достаточным объемом выполненных в рамках диссертации экспериментальных исследований в лабораторных и шахтных условиях с применением современных методов и приборов (5 шахт, 30 составов тампонажных растворов);

удовлетворительной сходимостью результатов ан;ип ическнх расчетов с экспериментальными данными (погрешность ± 15%);

положительными результатами опытно-промышленной проверки и внедрения разработанной технологии защиты горных работ от притоков подземных вод на шахтах Кузбасса. Научная новизна работы состоит;

в установлении закономерностей процесса фильтрации через подработанный массив горных пород при ведении горных работ на обводненных участка?, шахтных полей, которые представляют собой базу для обоснования прогрессивных технических решений;

в получении новых данных о гидрогеологической обстановке в подготовительных и очистных забоях и влиянии на иге горно-геологнческнх и горнотехническнх факторов при разработке обводненных у шетков шахтных полей;

в разработке нового принципа снижения водопроницаемости деформированных пород путем повышения вязкости воды с последующим переводом ее в гслеобразное вещество;

в обосновании оптимальных составов тампонажных растворов из дешевых и нетоксичных материалов на базе жидкого стекла н отходов углеобогащения и деревообработки;

в разработке технологических схем за'читы подготовительных и очистных забоев ог притоков подземных вод на основе сооружения противофильтрацноипых завес в деформированном массиве. Личн.лй вклад автора состоит;

в исследовании м использовании закономерностей процесса фильтрации через деформированный массив пород при ведении горных работ на обводненных участках шамных потен обоснования технических решении;

п установлении влияния горно-гсотогическпх и горнотех»»«1. ски» факторов на шдрогеотогнчоскне чс.юния по.чгоюмме.зьнмч ^

очистных забоев при разработке обводненных участков шахтных полей:

в обосновании нового г инцнпа снижения водо- и воздухопроницаемости деформированных пород, реализация которого позволила обеспечпть безопасную и эффективную защиту горных работ от притоков подземных вод;

в исследовании и разработке оптимальных составов гампонажнь" растворов днч сооружения противофильтрационных завес в деформированном массиве пород;

в разработке безопасной и эффективной технологии защиты горных работ от притоков подземных вод;

в использовании полученных технических решении и научных обоснований при отработке обводненных участков шахтных полей в ряде районов Кузбасса.

Научное значение работы заключается в установлении влияния комплекса горно-геологических и горнотехнических факторов на гидрогеологические условия в деформированном массиве пород для разработки научно-методических основ, параметров и безопасной технологии защиты подготовительных и очистных забоев от притоков подземных вод в угольных шахт;

Практическое значение работы заключается в том, что результаты выполненных исследований позволили;

управлять процессом фильтрации воды в деформированном массиве пород на основе разработанных технических решений по созданию противофильтрационных завес с использованием дешевых и неток1 ччнь'х материалов;

разработать новый принцип снижения водо- и воздухопроницаемости деформированного массива пород, позволяющий тампонировать трещины путем повышения в них вязкости воды с последующим переводом ее в гелеобразное состояние;

обоенввать способ создания искусственной кровли при слоевой отработке мощных пологих пластов, реализация которого позволяет снизить потери угля в междуслоевой пачке, утечги воздуха в верхний отработанный слой и приток воды в действующей очистной забой;

разработать безопасную и эффективную технологию защиты горных работ от притоков подземных вод, которая обеспечивает повышение производительности очистных забоев и улучшает санитарно-гигиенические условия труда на обводненных участках шахзных полей;

обосновать возможность и целесообразность использования отходов углеобогащения и деревообработки для реализации предложенной технологии защиты ~ориых работ от притоков подземных вод, что позволит улучшить состояние техники »опасности и тешкко-экономичсские пока «пели угольных шахт.

Реализация работы. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные автором, вошли составной частью в отраслевые и региональные нормативные документы, используемые угледобывающими предприятиями, научно-исследовательскими и проектными организациями: Руководство по применению гелеобразующих составов для предупреждения самовозгорания угля в шахтах" (Кемерово, 199(1), "Инструкцию по преду .юждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса" (Кемерово, 1989).

Разработанные составы тампонажиых растворов, принцип снижения водо- и воздухопроницаемости деформированного массива горных пород и выработанного пространства, технологические схемы создания противофильтрационных полос применяются на шахтах Кузбасса для защиты подготовительных и очистных за. ¿ев от притоков подземных вод и снижение эндогенной пожароопасности горных работ. При этом подтвержденный экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 40,4 млн.рублей в год (в ценах 1995 г.) на один очистной забой, оборудованный механизированным комплексом, за счет повышения нагрузки на лаву благодаря устранению притоков воды в действующие горные выработки.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на научном совете ПО "Беловоуголь" (г.Белово, 1993 г.); Международном семинаре по горному делу в ИГД им. А.А.Скочинского (г. Люберцы 1994 г.); научно-техническом совете ГК "Росуголь" (г. Москва, 1994 г.); научно-техническом совете АОУК "Кузнецку го ль" (г. Новокузнецк, 199S г.); научном семинаре ВостНИИ (г. Кемерово. 1995 г.).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 4 научных трудах, включая 1 монографию и I брошюру.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

Безопасность и эффективность разработки пластов на обвод! -"иных участках шахтных полей определяется в значительной мере интенсивностью геомеханических процессов, происходящих в подрабатываемом массиве пород. Над очистной выработкой он обрушается, прогибается и деформируется; в нем образуются системы техногенных трещин, которые могут достигать. области влиянии водоносных горизонтов или других водных объектов н сгммоня1ся водопроводящими. Высота распространения этих трешин мвисн/ м основном от вынимаемой мощности угольного пласта. cncu>6;i управления кронт.'и, pal мерой выработки по простиранию и n.uenuvo. шешчня. мощности и местоположения водоупорных слоев с

содержанием глинистого вешесгаа более 40% и степени метаморфизма пород.

Исследованию характера деформации пород подработанной толщи и разработке способов ведения горных работ; на обводненных месторождениях посвящены работы С.Г.Авершина, В.И.Земнсева, Г. II.Кузнецова, С.П.Колбенкова, М.Лабасса, Д.Н.Оглоблина, И.В.Хохлова, Н.Г.Трупака, Э.Я.Кипко, В.В.Васильева, В.В.Евтун:.нко, А.Г1.Максимова, А.Камбеф^оа, l.Dvorsky, O.Harvey и других отечественных и зарубежных авторов. В работах этих ученых предлагаются способы защиты горных работ от притоков подземных вод, основанные на замораживании, тампонировании и химическом упрочнении пород, а также рекомендуются составы для реализации данных технических решений. Как показал анализ, применение предлагаемых способов технически целесообразно и экономически оправдано лии" на очень обводненных участках шахтных полей.

Настоящая работа направлена на дальнейшее развитие основных положений по вопросам защиты горных выработок от притоков подземных вод в мало- и среднепроницаемых породах.

I. РАЗРАБОТКА Г 1ЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРИТОКОВ ВОДЫ В ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ ШАХТ [1,4)

Основными факторами, влияющими на обводненность горных работ, являются литологи« и тектоника углевмещающих пород. Наиболее обводнены песчаники и .звестняки, причем с увеличением глубнны общая пористость их1 снижается, раскрытость трещин уменьшается. Это связано с увеличением горного давления, которое способствует смыканию стенок трещин ' и уменьшению фильтрационных свойств пород.

Зависимости фильтрационных характеристик горных пород от глубины установлены с применением методов математической статистики по результатам экспериментшп.ных исследований, выполненных для месторождений, углевмещаюыле породы которых представлены песчаником и известняком в виде различных геологических структур (крупные линейные складки, мелкая складчатость, крутое залегание nopoxi, месторождения закрытых площадей и купольных структур).

Скорость фильтрации песчаников Кф,м/ч, при коэффициенте

корреляции R= 0,85-0,80 в диапазоне глубины горных работ от 50 до 250 м дня первых двух упомянутых выше !еологических структур рекомендуется определять из ныражеиш.

К = 0,6 0,99й, ф,

К = 0,7о • 0,99н, Ф2

где Н - глубина горных работ, км.

Для повышения точности расчета скорости фильтрации песчаника целесообразно примен* i ь формулу, полученную в результате обработки целевого эксперимента с использованием интерполяционного полинома Лагранжа

K^ = 1,88 Н2 - 1,5Н + 0,33 . (2)

Ширину раскрытия трещин атр, мм, в песчаниках в зави< и мости

от глубины залегания Н, км, для раз.1чны)( i (»логических структур следует определять по формулам:

для крупных линейн.,1Х складок «тр = 1,25Н2 - 2Н + 1,

для мелкоскладчатой структуры ajf¡ = 2,5Н2 - Зн + ¡,1 . (3)

Пористость песчаника т, %, в зависимости ог глубины залегания для различных геологических структур рекомендуется устанавливать из выражений:

для крупных линейных складок m = 25 Н2 - 20Н + 5,75, (4) для мелкоскладчатой структуры ш = 0,01н2 - ЮН + 10. С учетом полученных скоростей фильтрации прогноз

притоков воды Q, м3/ч, в вертикальные стволы шахт из отдельных водоносных горизонтов рекомендуется производить по формуле д = 2яКфМ7г8, (5)

где K^. скорость фильтрации, м/ ч;

М - мощность водоносного горизонта, м; г - радиус ствола, м;

S - величина понижения уровня подземных вод, м,-Для расчета прогнозных притоков вдды в подготовительные ¡'.ыработки. пройденные в угольном пласте, получена эмпиричс кая формула

г* - п г0.81 ...

Q = С ^¡ose F • (6)

где С - гидрогеологический параметр, учитывающий влияние на обводненность шахты различных факторов; ДН - инт ¿рвал глубины горных работ, м; Н - проектируемая глубина горных работ, м;

„ 2

F - проектируемая площадь выраооток no пласту, гыс.м .

На основании фильтрационных характеристик, вычисленных по формулам '') - (4), можно из уравнения Н И. ьахромеева для ламинарной фильтрации определить радиус распространения жидкости Я ж, м, в породе от скважины.

ц - динамическая вязкость нагнетаемого расгвора, Па с; I- время нагнетания, с; т - пористость, %;

г ■ радиус нагнетательной скважины, м; И. - приближенное значение радиуса стекания жидкости, п< тученное экспериментально, м.

Как показали расчеты, для слабопроницаемых пород, которые являются объектом исследовании в данной работе, фильтрационные характеристики песчаника при естественном залегании его в виде рассмотренных геологических структур составляют: коэффициент фильтрации 0,6-0,9 м/сут; шар. ла раскрытия трещин 0,5-0,95 мм; пористость 7,5-15%. При деформации горных пород в процессе ведения очистных работ эти параметры увеличиваются, что приводит в конечном итоге к повышению притоков подземных воде шахту.

Разработанная методика позволила выполнить прогнозную оценку фильтрационных характеристик пород на стадии проек трог ния горных работ ц.л выбора оптимальных составов тампонажных растворов и опрёделить рациональные параметры нротивофильтрационных завес для защиты подготовительных и очистных забоев от притоков подземных вод.

2. ИССЛЕДОВАНИЯ И ВЫБОР ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ ДЛЯ ВОЗВЕДЕНИЯ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЗАВЕС [1,2,3]

Выбор состава тампонажного расгвора пределяется геологическими и гидрогеологическими условиями, его эффективностью, -экономической целесообразностью и технической возможностью горного производства. Эффективность тампонирования зависит от соотношения размеров частиц тампонажного материала и размеров трещин в породе. Оно должно быть не менее чем 1:3, т.е. раскрытие трещин должно быть в 3 раза больше максимальной крупности тампонажного материала.

На осно1 шин комплексных несле,| >вшшИ различных химических веществ автором совместно с работниками ВостНИИ разработано

(7)

где Р - давление нагнетания, Па;

Кпр- коэффициент проницаемости Дарен, м г;

г

более 30 рецептов тампонажных растворов, часть из которах представлена ниже.

Состав отдельных видов тачпонажных растворов для _возведения противофнльтрацнонных завес _

Состав Вязкость, Па-с Бремя перехода в твердопластичное состсчие, мин

5-6% Na 2 SiO з +2,5% (N Н 4) 2 SO 4 0,14 20

5-6%Na,SiOз+2,0% (NH,),S04 0.14 90

5% Na г SiO, +1,4% N Н 4 Cl 0,12 60

5% Na 2 SiO з+1,3% N H 4 C1 0,12 12и

I0%Na2 SiO з + 15% цемента 7,5w 10-15

Примечание. Во все составы добавлялось в качестве пластификатора 0,05% полиакриламида, остальное вода до 100%.

Установлено, что дальность растекания раствора в тампонируемой среде определяется его вязкостью. Введение в раствор полиакриламида малой концентрации не оказывает существенного влияния на увеличение вязкости, причем вязкость раствора без добавки цемента близка к вязкости воды. Этот парамегр несколько снижается с уменьшением концентрации инициатора, но увеличивается время затвердевания.

Важным параметром тампонажных растворов, используемых для создания противофильтрационных завес, является время гелеоб-разования, которое зависит от концентрации инициатора (рис.1). Гель, образующийся в массиве пород, водоустойчив к слабощелочным и кислым водам. Он надежно тампонирует трещины и перекрывает приток воды по ним в горные выработки.

Сдвигающее напряжение и динамическая вязкость гелсобразующих составов определялись "а приборах Peotest-2 и коней гометре Гепплера, а растворов малой вязкости - в капиллярном вискозиметре Освальда. Пределы прочности на сжатие и пластичность устанавливались в соответствии с действующими ГОСТам», по стандартной методике.

Как показали результаты исследований, у раствора с добавкой цемента регулируются время гелеойразования и прочность, а пластичность и текучесть снижаются. При увеличении в гелеобразуюшем составе концентрации жидкого стекла и уменьшении доли инициатор; ярем я загуезевания и вязкоегь возрастают.

Исследования процесса размывания геля водой просо.ш.тись ч

моаллической колбе емкостью 700 см3 и внутренним диаметром 50 мм. куда кнружа.ш 500 г породы фракции 2-5 мм. н юч '¡моде ¡00 г

Рис.1. Время гелеобразования в зависимости от концентрации сульфата аммония в растворе силиката натрия: 1-8%-ный раствор; 2-5%-ный; З-ЗХ-ный

фракции мен.е 2 мм. Затем в колбу заливали исследуемый гелеоб^азу |щий раствор, который выдерживали в контакте с породой до образования геля. Колбу наполняли водой, подкрашенной силициловой кислотой, до вер; него вентил i. После этого через верхний вентиль (при открытом нижнем) в колбу под давлением 0.1 МПа и б.шее нап ггали газ гелий и фиксировали время выделения воды через нижний вентиль. При этом было установлено что составы из куско1 песчаника и гелеобразующего вещества не пропускают воду при дав тении до 1,3 МПа.

Адгезионная способность тампонаж»'о» о раствора определялась на приборе, аналогичном прибору Вейлер-Ребиндера. Исследованиями доказано, что тампонажные растворы на основе жидкого стекла обладают высокой адгезионной способностью.

Сегодня на углеобогатительных фабриках России скопилось много отходов углеобогащения. Анализ показал, что они на 70-90% состоят из фракций 0,05 мм и представлены в основном оксидами кремния н алюминия, обладающими вяжущими свойствами, поэтому целесообразно использовать эти отходы для приготовления тампонажных расгворов.

Проведенными исследованиями растворов на осноне отходов углеобп ,\щения доказано, что время потери текучести их и (меняется от несг. )<ьких минут до суток и может регулироваться количеством мнициго/ющей Добавки. Скорость затвердевания флотоцемешных составов с добавке., жидкого стекла, определенная посредством иглы Вика, составила 0,4-2,0 ч. При давлении от 0,2 до 2,0 МПа гелеобразующие составы, приготовленные на основе отходов углеобогащения, водонепрош темы.

В результате исследований также установлено, что для приготовления тампонажных растворов целесообразно исполыоаать отходы деревообработки, в том числе лигнссульфонат техтлмескнй (сульфатный щелок) 50-65%-ной исходной концентрации и последрожжевуг« барду 3%-н конце»»!; щии. Приготовленный на их основе раствор отвечает всем требованиям, предъявляемым к тампонажным гелеобразуюшим составам. Плотнь ' гели получаются ' при смешивании 5-8% силиката натрия, 3-5% лигносульфоната технического, 0,05% полиакриламида, остальное вода до 100%. Доказано, что использование в растворе сили эта натрия в концентрации более 10% нерационально, т.к. происходит ыпадение соли в осадок. Лигносульфонат технический пожаро- и взрывобезоласен, не оказывает раздражающего н аллергического действия.

Динамическая вязкость исходных растворов, определенная с помощью вискозиметра, »¡значительно оз.,»чается от вязкости воды и изменяется в пределах (1,18-1,56)10 3Пас. При давлении 0,15 J.25 МПа

составы на основе силиката натрия и лигносульфоната практически водонепроницаемы. Породы, закрепленные этими составами, при давлении 1,0-1 ,5 МПа также не пропускают воду.

На основании результатов широкого комплекса выполненных исследований выбраны оптимальные составы тампонажных растворов, которые удовлетворяют следующим требованиям:

имеют малую вязкость (близкую к воде) и способность растекаться под давлением на значительное расстояние в тампонируемой среде;

обладают регулируемым временем схватывания (затвердевания); являются пластичными и после затвердевания имеют высокую механическую прочность, водонепроницаемость и ьодостойкость (малы , коэффициент размягчения);

является нетоксичными, дешевыми, недефици I.1ми, взрыво5езопасными, не склонными к самовозгоранию и сохраняют длительную адгезию к горным породам.

В результате проведенных экспериментов даны рекомендации по эффективному применению определенного вида тампонажного раствора в зависимости от минимального размера трещин: цементные растворы - для трещин размером от 0,15 до 0,20 мм; глинистые, отходы флотации - 0,10 мм; силикатные и химические растры - 0,01 мм. При тампониров- нии рыхлых отложений эти границы расширяются: кементнчми растворами тампонируют трещины размером от 2 до 2,5 мм, силикатными и химическими растворами - от 0,01 до 0,05 мм.

Изложенные выше результаты исследований позволили также обосновать целесообразность снижения водо- и воздухопроницаемости массива пород путем повышения вязкости воды с последующим перевод! .и ее в гелеобразное состояние для создания противофнпьтрационных завес.

3. РАЗРАБОТКА БЕЗОПАСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЗАЩИТЫ ГОРНЫХ РАБОТ ОТ ПРИТОКОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД (1,2,3]

На основании результатов выполненных исследований установлено, что возведение противофильтрационных завес из нетоксичных и дешевых химических материалов в настоящее время является наиболее безопасной и рациональной технологией защиты горных работ от притоков подземных вод в мало- и среднепроницаемых породах. Под противофильтрационной завесой понимается водонепроницаемое ограждение, сооружаемое вокруг выработки или на контакте ее с выработанным пространством дня защиты от притоков подземных вол. Эти з.шесы можно рассматривать как наиболее радикальное средство, позволяющее, наряду с зашитой горных выработок ог обводнени оградить подземные воды от истощения и ¡агря шепчи к

предупредить течки воздуха из действующих забоев в вышелг кащие отрабигаи ibie горизонты, что имеет весьма важное значение при разработке пластов угчя, склонного к самовозгоранию.

Лротивофильтрационные г..весы возво; ггся нз тампонажных растворов, приготовленных на основе жидкого стекла, а также отходов углеобогащения i деревообработки. Для этого из заб, я подготовительной выработки буряг шпуры в водоносный слой по нормали к трешиноватости. Количество их определяется гндрог' алогическими условиями, но, как правило, не превьш .¡ет грех. В шпур на расстояние от его устья, превышающее ширину зоны опорного горного давления, вводят герметизатор. Затем в шпуры нагнетают тампонажный раствор насосами НБ-50 или комплексами КНС и НАГУС. серийно выпускаемыми отечественной промышленностью. Вязкость тампонажного раствора не должна превышать 10 сГ!. Для нагнетания целесообразно использовать состав из жидкого стекла, сульфата аммония, цемента п воды.

Расход гампонажно!.) pací пора определяют по формуле Q = К.т m j R ж м3, (8)

где Кт - коэффициент трещиноватое! и; m j - мощность водоносного слоя, м; R ж-радиус растекания расгвора, определяемый по формуле (7), м.

Применение ^»ой технологии на шахте "Первомайская" АООТ "Северокузбассуголь" позволило снизить приток воды в подготовительные забои в 1,7 раза (рнс.2). Перспективным направлением использовапн/. разработанной технологии является возведение прогивофильграционных завес на контакте конвейерного птрека с выработанным пространством с целью у дер камня заиловочной пульпы, подаваемой для ликвидации очага самонагревания угля. Это направлена« /спешно реализовано в лаве №31 но пласту ?9ана шахт 'Зыряне иск ля" АОУК "Кузнецкуголь" (рис.3).

Большие осложнения в нормальное функционирование горных выработок вносит пучение почвы. Для предотвр»' гения этого явления впереди движущегося забоя создается пропшофил.'.грацнонная завеса. С этой целью в почву выработки бурят шпуры, в к0|0рые нагнетают тампонажный раствор.

В Кузбассе прн слоевой разработке мощных пологих пластов между слоями оставляют пачку угля мощностью до 0.9 м. Это приводит к большим потерям угля и возникновению »ндогенных пожаров. Для снижения потерь угля использ; тг деревянные ластил и металлические сетки, однако их применение малоэффективно, трудоемко и дорого. В связи с этим разработанная технолоп.л 1ашиты

швттт л

V

Рьс.2. Расположение оборудования при создании проти-вофильтрациоиной заносы на вахте "Первомайская"

АООх "Северокузбассуголь": 1 - ёмкость для раствора; 2 - насос; 3 - установка для повышения давления нагнетаемого раствора; 4 - рукав; 5 - герметизатор

Рис.3. Установка для подачи преобразующего состава при создании противофильтрационной завесы иа вахте "Зыряновская" АОУК "Кузнецкуголь" : 1 - бак для раствора реагентов; 2 - насос; 3 инъектор; 4 - рукав

горных выработок от притоков подземных вод использована для создания вторичной кровли. Сущк.кгть данного технического решения состоит в том, что вслед за посадкой кровли верхнего слоя из вентиляционного ч конвейерного штреков параллельно лннт очистного забоя в обрушенные породы бурят тампонажные скважины с расстогчнем между ними не более 70 м. В скважины нагнетают тампон- жный раствор с добавками реагегта, обла •ающего скрепляющей способностью, например, «even.а мелкого помола. Этот способ формирования кровли нашел применение на шахте им.Ленина АОУК "Кузнецкуголь" при отработке слоевой системой весьма опасного по самовозгоранию пласта III с труднообрушаемыми породами кровли.

На поле каждой шахты пробурено большое количество разведочных и технических скважин, которые пересекают водоносные горизонты. При nepecf енин таких скважин очистными и; и подготовительными забоями возможны про) лвы или большие притоки воды в действующие лыработки. Наибольшую опасность представляют скважины, пересекающие разрабатываемый угольный пласт в згче водопроводящих трещин, а также на участке наибольшей криви')*'! I мульды сдвижения.

Приведенные исследования позволили разработать способ защиты очистных г подготовительных забоев or притоков и прорывов воды по скважинам, основанный на принципе повышения ее вязкости с последующим переводом в гелеобразное вещество. Сущность его состоит в том, что но оси ран-е пробуренной с поверхности скважины бурят тампонажную скважину до пересечения ближайшего к выработке водоносного горизонта. В тампонажную скважину заходками снизу вверх, от ее забоя к устью, нагнетают в вог'>н>сный слой тампонажный раствор, повышающей вязкость подземных вод. В результате образуется гелео»с разная масс-- которая заполняет поры и трещины в вод* юсном слое и перекра дет нут. движения воды в сторону выработки.

Перспективность разработанной технологии защиты горных работ от притоков подземных вод заключается в "ом, что она может быть применена в равной степени и для предупреждения самовозгорания угля, особенно при бесцеликовой отработке пологих и наклонных пластов механизированными комплексами. Снижение эндогенной пожароопасное™ горных работ дости' чется в этом случае за счет резкого сокращения прососов воздуха через оставленные угольные стенки и обрушенные породы на контакте с конвейерным и вентиляционным штрек; ш. Созданнт— в указанных местах изолирующие стенки из гелеобразующих составов в лавах №31,32 и 33 на шахте "Зыряновская" и №22,23 и 31 на шахте "Байдаевская АОУК

"Кузиопкуголь" позволили в 2.5-3,5 раза сократить прососы воздуха через разрушенный уголь и предотвратить его самовозгорание.

Внедрение предложенной технологии производилось во всех случаях с использованием разработанных методических основ прогнозирования фильтрационных характеристик массива пород и возможных притоков воды в горные выработки. Как показали результаты промышленного применения данной технологии, она обеспечивает безопасность горных работ и позволяет получить экономический эффект за счет исключения простоев механизированных комплексов на обводненных участках шахтных полей.

Подтвержденный долевой экономический эффект от внедрения разработанной технологии защиты горных работ от притоков подземных вод в условиях шахт АОУК "Кузнецкуголь" составляет 40,4 млн.р.', 5лей в год на один очистной забой, оборудованный механизир-шанныь. комплексом (в ценах 1995 г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации в форме научного доклада дано новое решение актуальной научной задачи по созданию технологии защиты подготовительных и очистных забоев от притоков подземных вод, обеспечивающей безопасность и эффективность горных работ на обводненных участках шахтных полей.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации, полученные при выполнении исследований и внедрении разработок, заключаются в следующем:

1. Установленные особенности и закономерности изменения фильтрационных характеристик в зависимости от глубины и степени метаморфизма углевмещающих пород, залегающих в виде различных геологических структур, позволили разработать методические основы прогнозирования притоков воды в горные выработки шахт. Для

фактических расчетов получены уравнения корреляционной связи скорости фильтрации воды, диаметра раскрытия трещин и пористости с глубиной залегания слоев песчаника, алевролита и известняка.

2. Пространственное формирование зон повышенной проницаемости зависит от наличия, мощности и местоположения водоупорных слоев и характера деформации массива пород, а безопасность ведения горных работ под этими зонами определяется главным образом распространением системы техногенных трещин до области влияния водоносных горизонтов,. Установлено, что в зависимости от состава пород кровли угольных пластов, разрабатываемых системами* с обрушением, высота распространения

водопроводящих трещин превышает мощность вынимаемою пласта или слоя в 20-60 раз.

3. Разработаны оптимальные составы и технология приготовления гел образующих тампона;. 1ых растворов, обладающих регулируемым временем схватывания, водостойкостью, высокой механнч • :кой прочностью и хорошей адгезией к горным породам. Для тампон 1жа пород малой проницаемости рекоме дуются ра творы с вязкостью, близкой к вязкости воды, на основе силиката натрия (3-8%) с кислотной добавкой (1-3%) или силиката натрия (5-8%) с добавкой лигносульфоната технического (2-5%), остальное вода до 100%. При средней проницаемости пород целесообразно наюпыовигь растворы, содержащие отходы флотации (25-40" о), цемент (5-10%), хлорид кальция (0,3-0.5%), силикат натрия (1-3%), остальное вода ло 100%.

4. Доказана техническая целесообразность снижения водо- и воздухопроницаемости ¿.сформированных пород, основанная на принципе повышения вязкости воды с последующим переволом ее в гелеобрашое состояние, что посолило разработать способы зашиты горных выработок от притока подземных вод, создания искусственной кровли при слоевой выемке мощных пологих пластов и борьбы с пучени' м почвы подготовительных выработок.

:> Доказано, что надежной и эффективной мерой защиты подготовительных н очистных забоев от притока подземных вод в породах средней водопроницаемости являются противофильт-рационные завесы, сооружаемые из нетоксичных и дешевых гелеобразующнх тампонах тых растворов, сосгавы которых предложены в настоящей работе.

6. Обоснованы и рафаботаны технологические схемы и параметры приготовления и подачи гелеобразующих тамг:онажных растворов в массив с использованием серийно выпускаемого отечественного оборудовании для созд:1' 1Я противофильтрационных завес, обеепечнпмющих эащн:> горных м.работок 01 водопритоков и предупреждающих во ишкновение эндогенных пожаров за счет ликвидации у!счек воздуха в вышележащие отработанные горизонты.

7. Разработанная безопасная технологи-! зашиты горных выработок от притоков подземных вод, обобщавшая результаты научных исследований, применяется на обводненных уча' ках шахт Кузбасса и примочи значительный экономический эффект.

Основное содержание чисес, танин в форм- научного доклада опубликовано в следующих работах:

1 Хохлов И.В., Шумаков В.И. Технология рпработки обводненных шахтных по..Л. -М. ЦН11')!' г^ль, 1994.-90 с.

2. Хохлов И.В.. Шумаков ВИ , Хавова В.И. Технология разработки тамионажныч гелеобра зующих растворов на базе отходов углеобогащения и деревообработки.-М.:ЦНИ")Муго;п., 1994.-16с.

3. Шумаков В.И. Проведение подготовительных выработок в обводненных зонах// Экономика угольной промышленности.-1994.-№б. - С. 27-29.

4. Шумаков В.И., Томии C.B. Методические основы аналитических расчетов дальности растекания тампонажного раствора в массиве горных породЮкономика угольной промышленности,-1995,-№2,-С. 17-20.

Подписано в печать 11.08.95. Тира* 100 экз. Формат 60x90 I/I6. Объем 1,0 п.л. Заказ )»I8 1995 г.

Кемерово. Ротапташт ВостНИИ,ул.Институтская,3