автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Разработка и обоснование технологии тампонажа горных пород цементацией при строительстве капитальных выработок

РГ6 Ом

2 О Мй '^о

На правах рукописи

СЫРКИН Петр Серафимович

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ТАМПОНАЖА ГОРНЫХ ПОРОД ЦЕМЕНТАЦИЕЙ ПРИ СГРОИТЕЛЬСТВЕ КАПИТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Специальность:

05.15.04 - "Строительство шахт и подземных сооружений"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Кемерово, 1996

Работа выполнена в комбинатах "Кузбассшахтострой", "Ростовшах-тострой" и в Кузбасском государственном техническом университете.

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Хямяляйнен В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Лебедев A.B.;

доктор технических наук, профессор Полозов Ю.А..;

доктор технических наук, профессор Шуплик М.Н.

Ведущая организация - АООТ "Куэшшшахтострой".

Защита состоится " 13 " июня 1996 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 063.70.02 в Кузбасском государственном техническом университете, 650026, г.Кемерово, ул. Весенйяя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кузбасского государственного технического университета.

Автореферат разослан _ 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ташкинов A.C.

(БЩАР ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Угольная промышленность является одной из важнейших горнодобывающих отраслей. В России н 1995 году объем добычи угля снизился по 261 млн.т. Больше половины общего объема добычи угля и практически весь объем высококачественного угля приходятся на подземную добычу. На одну треть уменьшилась производительность труда и з 1,7 раза возросла себестоимость добываемого угля. Одними из причин сложившегося положения являются малые объемы строительства, и реконструкции шахт, ухудшение горногеологических .условий при ведении горных работ. Так, например, на угольных шахтах Кузбасса более трети стволов проходилось при ожидаемых вонопритоках, превышающих нормативные в 3-30 раз. В Донбассе 60 % стволов, пройденных обычными способами, эксплуатиру- ' ются при водопритоках, превышающих нормативные. Более 35 Я капитальных горизонтальных выработок проходится в неустойчивых трещиноватых породах, значительная часть которых ежегодно перекрепляется.

Таупо«чж тречичоватого горного массива является одним из эффективных способов уменьшения водопнитоков в выработку. и повышение его устойчивости. Анализ отечественного и закупочного опита показывает на значительную область возможного применения там-почахных растворов на основе цемента. Однако объемы применения тампонажа трещиноватых полол пока незначительны^вследствие недостаточности его технологической проработки. К настоящему времени разработаны Физические основы управления процессом формирования цементационных завес и созданы все предпосылки для разработки научно-обоснованной технологии тампонажа горных пород цементацией. Выполненный при этом анализ показывает необходимость более углубленного изучение схем заполнения трещин тампонажным материалом и совершенствования способов контроля состояния породного массива на различных стадиях его тампонирования.

На основании изложенного представляется актуальной разработка технологических и технических решений по совершенствованию тампонажа горных пород цементацией.

Исследования выполнены в соответствии с координационными планами Минуглепрома СССР и Минтопэнерго РФ по тематическим планам научно-исследовательских работ Кузбассшахтостроя, Ростовшахтостроя и Кузбасского государственного технического университета, прошедших регистрацию в ВНТИЦентг.ч.

Цель работы заключается в разработке технологических решений по предварительному и последующему тампонажу горных пород цементацией, повышающих его качество, снижающих трудоемкость и стоимость строительства капитальных выработок.

Идея работа состоит в использовании закономерностей заполне-. ния трещин тампонажнкм материалом и контроле состояния попонного массива при тампонаже.

Задачи исследований:

- установить закономерности заполнения тпешин тампонажным материалом и разработать исходные данные для создания нормативной базы на нагнетание тампонажнйх растворов в зависимости от режима Фильтрации и■проницаемости породного массива;

- усовершенствовать.способы контроля состояния породного массива при тампонаже;

- разработать технологические решения по совершенствованию предварительного тампонажа обводненных горных'пород при строительстве вертикальных выработок;

- разработать технологические решения по совершенствованию последующего тампонажа неустойчивых и обводнвнньк горных пороа при строительстве горизонтальных и вертикальных выработок.

Методы исследований.

Установление закономерностей заполнения трещин и разработка исходных данных для создания нормативной базы на нагнетание раствора осуществлены путем аналитических, лабораторных и натурных экспериментальных исследований Фильтрации тампонажных растворов с использованием методов механики сплошных сред, теории подобия, проведением численных расчетов и обработкой результатов эксперимента на ЭВМ.

Совершенствование способов контроля состояния породного массива на различных стадиях его тампонирования осуществлено путем гидродинамических и геомеханических расчетов, проведением экспериментальных реометрнческих и электрометрических исследований в натурных и лабораторных условиях.

Разработка технологических решений по совершенствованию предварительного и последующего тампонажа осуществлена на основе результатов выполненных Фильтрационных и геофизических исследований с использованием опытно-промышленных экспериментов по нагнетанию раствора и контролю состояния тампонируемого массива.

Научные положения, защищаемые в диссертации:

- область Фильтрации тампонажного раствора от скважины

с^ерпжит дополнительную эочу безосадочного движение по каналам, . минимальный тадиус которой пап ем тпехкпатному радиусу зоны начала седиментялии цементных частиц;

- при увеличении скорости движения нестабильного тампонажно-го раствора в трещинах нелинейная зависимость касательного напряжения от градиента скорости по высоте потока неразрывно перехолит в лимейнуч с переходом коэффициента структурной вязкости в коэффициент динамической вязкости;

- расход иаствора в скважину в значительной степени зависит от проницаемости масскча, в меньшей-степени - от деформационных свойств попод, давления нагнетания, пиаметт скважины и концентрации раствора, а расппеделение давления в зоне седиментации имеет нелинейный характер;

- в процессе тампонажа необводненного породного массива его удельное электоическое сопротивление (УЭС) уменьшается на несколько погодков на начальной стадии, затем стабилизируется и через трое-четчепо суток по уер» схватывания, твердения раствора гтпоисходит резкое увеличение УЭС, причем изменение УЭС тампонируемого массива в пределах кочтролипуемого участка характеризует радиус распространения тампонажного раствора от скважины;

- качество и снижение трудоемкости предварительного тампонажа обеспечивает технологическая схема, предусматривающая размещение комплекса оборудования я устьевой части ствола и инъецирование раствора тампонажной ээходкой, длина которой непрерывно'увеличивается при переходе от скважины к скважине;

- качество и снижение трудоемкости последующего тампонажа обеспечивает комплекс технологических решений, включающий в себя учет неоднородности попод по проницаемости в соответствии с разработанной нормативной базой на нагнетание раствора, непрерывный контполь заполнения пустот тампонажным материалом, выбор материала для тампонажа закропных пустот с технико-экономическим обоснованием.

Научная новизна работы заключается:

- в установлении закономерностей каналообразования я зоне седиментации цементных частиц при движении тампонажного раствора в треииндх;

. - в установлении закономерностей изменения реологических ха-тктепистик нестабильных тампонажных растворов с увеличением ско-

рости их ичижени" в трещинах;

- в совершенствовании молели фильтрации нестабильных тампо-нажяьтх растворов, учитывавшей Физические особенности цементации и устанавливающей зависимость межпу режимом нагнетании, реологическими характеристиками раствора и Физическими характеристиками попонного массива;

- в обосновании возможности и использовании реометпического и електоометри"еского контроля заполнения трепин тампенаяным раствопом с учетом его нестабильности;

- а обосновании размещения инъекционного оборудования в устьевой части ствола и сокращении объемов буповнх работ за счет увеличения г.лин тямпонажнчх захояок ппи предварительном тампонаже;

- в разработке способов последующего тампонажа попонного массива, основанных на учете неравномерности пустот и контроле их заполнения тампонажннм материалом) а также в обосновании нормативной базы на нагнетание тствопя, учитывающей проницаемость горных пород.

Обосчочячнпсть и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- применением апробированных классических метопов механики сплошных среп;

- удовлетворительной сходимостью результатов аналитических, экспериментальных лабораторных и натурных фильтрационных и электрометрических исследований;

- положительными результатами внедрения основных положений диссертационной работы на угольных шахтах Кузбасса и Епст^ччого Донбасса.

Личный вклад автора заключается:

- в постановке и решении задачи по установлению закономерностей каналообразовани» в зоне седиментации твердых частим;

- в установлении Функциональной зависимости касательного напряжения от градиента скорости тампонажного раствора по высоте потока;

- в установлении взаимосвязи-М"жгу режимом нагнетание тямпо-нажного раствора в скважину, его реологическими характеристиками и Физическими характеристиками тампонируемого массива;

- в обосновании и разработке способов контроля заполнения трещин тпмпонажным материалом;

- в разработке, обосновании и оценке яф^ектичности грг,'г,-г'*~

гических схем предварительного тампонажа;

- в разработке, обосновании и оценке эффективности технологических схем последующего тампонажа.

Научное значение таботн заключается в установлении закономерностей заполнения тпещин тампонаяшым материалом, влияния различных (Мкторов на тасхоя раствора в скважину, изменения электрофизических свойств тампонируемого массива и обосновании на их основе способов тампонажа горных пород.

Практическая ценность. Применение разработанных технологических решений по совершенствованию п-. епваоительного и последующего тампонака позволяет повысить качество тампонажа неоднородных по проницаемости горных пород, непрерывно контролировать заполнение тррши.ч тампона*нътм материалом, корректировать параметпы технологии нагнетание, расширить область применения тампонажа в тон-котрещичовчтых потопах, уменьшить трудоемкость и стоимость строительства .капитальных выработок.

Реализация работы. Основные положения диссертационной работы реализованы в нормативных руководящих документах: "Каталог епичичннх пяеиечок на нагнетание цементных тотворов при последующей цементации горных пород в зависимости от пооннпцемости по-роп (пополнение к сборнику ЕРЕ° 35' на горчо-ппоходчеекие Работы, утв. МУП СССР от 29.06.00)": "Руководство по технологии креп-лени«*' горных .яыработгк с применением опалубки ОМП, основанной на использовании несучей способности упрочненных порой (РД 12.18. 088-89 -МУП СССР)": "Метопические указания по оппеселению когЛТи-циентч трещиновчтости горного массива вокруг выработок реометри-ческим и плектоометрическим метопами (временные, ЛГузниишахтострой, Т9Е8)"; "Мет«пичес»ие указание по контролю последующего инъекционного упрочнение горных пород вокруг выработок растворами на основе цемента электрометрическим способом (Кузниитаахтострой, T99I). Технология пгепварительного тампонажа внепрена в Кузбассе на «онтич":;ипнном, вонпухопопаюшем, новом скиповом стволе ш. "Бе-рпзовска"". новом клетевом стволе тп. им. В.И.Ленина. Технология рог^рплтсего ТЯЧПГНП1И пнрпренч в Кузбассе на участках вентиляционного ствола № 2 ш.им. Ф.Э.Дзергсинского, участков горизонтальных чипт'оток тахт "Ь'рясчокячснскяя", "Киселевскаг", "Юбилейная". В В'Г'г-ччоч Л'-ч^ясср пчрппоц.1 технология последующего тампонажа но тпр\- тл- "Пкчмбп! ска »-'Очная". Технология комбинированного

> рч1-п"ргп г- Tfyr.*ncce при яикштеяпии аварийм<»г участках

в

шахт "Коксовая", им. М.И.Калинина, "Бунгурская". Фактический экономический о№ект от внедрения только на отдельных вышеуказанных объектах составил более I млн .рублей (з ценах 1990 годя).

Апробация табпты. Основные положения диссертационной работы докладынались на научно-технической конференции, посвяченной -40-летию КузПИ (г. Кемерово, 1990), 5-ом научно-техническом семинаре по геопинамическому районированию,недр (г. Кемерово, 1992), научно-техническом совете ПО "Спецтампонажгеология" (г. Антрацит, 1992), горной секции ученого совета Кузниишахтостроя (г. Кемерово, 1992), научно-технических советах комбината "Куэбассшахто-. строй" (гг. Новокузнецк, Кемерово, 1987-1990), международном симпозиуме по проблеме подземных вол (Англия, г. Ноттингем, 1994), научно-технической'конференции по безопасности предприятий в угольных регионах (г. Кемерово, 1994), международной научно-практической конференции по перспективам развития горно-добывающей промышленности (г. Новокузнецк, 1995), кафедре СПСиШ КуэГТУ (г. Кемерово, 1992, 1996), ежегодных научно-практических конференциях КузГТУ (г. Кемерово, 1990, 1991, 1992, 1994, 1995), научно-технических- советах комбината "Ростовшахтострой" (г. Шахты,1992,1995).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 34 научные работы, в том числе 2 монографии и 7 авторских свидетельств на изобретения.

0*ъем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 150 наименований, приложения; изложена на 326 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков и 29 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. Состояние вопроса

При строительстве капитальных горных выработок в обводненном и неустойчивом погодном массиве применяют специальные способы проходки, и, в частности, тампонаж трепшноватнх горных пород. Согласно СНиП 3.02.03-84 остаточный вопоприток в пройденный ствол угольной или рудной шахты глубиной до 800 м не должен ппеткгс';т?; 5 мэ/ч. Применение предварительного тампонажа на пт^ах Кузбасса,

Донбасса и других бассейнов СНГ позволило получить после проходки вместо ожидаемых 30-250 м3/ч нормативные водопригоки. В действующих стволах, пройденных обычным способом, наблюдаются водопри-токи, превышающие нормативные. В Донбассе 7 % стволов, пройденных обычными способами, имеют водопроток 30-70 м3/ч, а всего 60 % стволов имеют воаоприток превышающий нормативный. В Кузбассе более одной трети стволов имеют при проходке ожидаемые водопритоки, превышающие нормативные.

Отечественный и зарубежный опыт строительства горизонтальных и наклонных выработок за последние 25-30 лет показал, что общая производительность трупа при строительстве выработок возросла незначительно: с 0,7-0,8 м3/чел.-смену готовой выработки'до'1,1-1,3 мэ/чел.-смену. Крепление горных выработок является сложным й трудоемким процессом в цикле горно-проходческих работ. Трудозатраты на крепление состазляют 30-50 трудозатрат на строительство выработки с помощью буровзрывных работ и 40-60 ^ при комбайновой проходке. С увеличением глубины горных работ за последние Ю-15 лет давление на крепь повысилось в 2 раза, стоимость крепления возросла в 2,3 раза, трудоемкость - в 3,7 раза, расход металла -в 2 раза. В связи с этим в Донбассе, Кузбассе и других бассейнах СНГ все большее распространение получают способы повышения устойчивости выработок путем инъекционного упрочнения окружающих их горных пород. Эффективность упрочнения горных пород цементацией подтверждается отечественным производственным опытом, а также зарубежной практикой.

Значительный вклад в развитие специальных способов проходки вертикальных стволов и, в целом, разработку способов физико-химического воздействия ни породный массив внесли Г.И.Маньковский, Н.Г.Тпупак, И.Д.Насонов, М.Н.Шуплик, Э.Я.Кипко, Ю.А.Полозов, О.Ю. Лушникова, Ю.Н.Спичак, И.И.Вахрамеев, А.Камбефор, М.Н.Шкабара, И.Т.Айтматов, Б.И.Кравцов, Б.Д.Половов, В.А.Хямяляйнен. Большой научный и практический вклад в совершенствование технологии тампонажа обводненных пород внесли П.П.Гальченко, М.А.Саламатов, Е.П.Калмыков, Ю.Н.Куликов, В.А.Лагунов, И.В.Попов, Н.Т.Логачев,, Н.Т.Фатеев, В.И.Митраков, А.З.Литвин, Н.М.Поляков, Е.Г.Дуда, Б.А. Корецкий, Г.Я.Комаров, А.В.Угляница и другие.

Значительный вклад в теорию и практику инъекционного упрочнения породного массива вокруг выработок внесли ведущие специалисты в области крепления выработок Ю.З.Заславский, Е.Б.Дружко,

Г.Г.Литвинекий, И.В.Баклашов, Б.А.Картозия, Л.П.Максимов, Н.С. Булычев, Н.Н.Фотиева, Л.М.Ерофеев, И.О.Заславский. Большой вклад в развитие инъекционных способов упрочнения породного массива внесен D.В.Евтушенко, А.Б.Кондратовым, А.А.Баряхом, Ю.В.Бурковым, Г.С.Франкевичем, В.М.Удовиченко, И.В.Качаном, H.H.Волковым, А.Н. Александровым и другими.

Представляют интерес исследования, выполненные в области гидротехнического строительства применительно к цементации горных пород вокруг тоннелей, в основаниях и теле плотин, в основаниях подземных зданий и сооружений ГЭС. Результаты дачных исследований отражены в работах А.Н.Адамовича, Д.В.Колтунова, Э.Э.Алласа; А.Н. Уещерякова, В.С.Эристова, Б.Куюнджича, Л.Иовановича, З.Родослав-лиевича, Г.Г.Хачикяна, П.У.Пониматкина, В.М.Насберга, В.Ф.Илюшина и других авторов.

Определенный интерес -представляют также результаты исследований цементации применительно к условиям нейтяных, газовых, раз-песочнмх и технических скваяин, отраженные в работах А.И.Булатова, Р.Ф.Уханова, А.С.Волкова, Р.Н.Тевтатзе и других авторов.

В ряде случаев при тампонаже горных пород наряду с цементацией используют химическое укрепление грунтов. Развитие химических способов укрепления горных пород нашло отражение в работах Б.А.Ржаницына, В.Е.Соколовича, В.В.Аскалонова, Г.Д.Чупрунова, E.B;-Кузьмина, В.И.Сергеева, В.В.Давыдова, Ю.И.Белоусова, В.Ф.Беляева, А.В.Пястолова, В.С.Томковича, Н.<?>. Андреева, П.П.Гончарука,: Ю.Т. Клименко, М.Э.Качановича, Ю.А.Лаухина, А.П.Политоча, Л.С.Кузяева, З.А.Люева и-других.

Существенный вклад в развитие способов контроля качества тампонажа горных пород внесен Н.Г.Трупаком, Э.Я.Кипко, О.Ю.Лушнико-вой, Ю.А.Полозовым, В.С.Ямщиковым, П.М.Тютюнником, П.А.Шпаибером, Ю.З.Заславским, Е.Б.Дружко, И.Ю.Заславским, Г.И.Кравченко, A.B. Кондратовым, А.А.Баряхом, С.М.Простоэым, З.А.Хчмяляйненым, Ю.В. Бурковым и другими. Дальнейшее развитие геофизических способов контроля нам представляется перспективным на основе тэезультатов исследований в области геоэлектрики Б.Г.Тарасова, В.В.Дыраина, .В.В.Иванова и других.

Совершенствование технологии тампонажа в направлении совершенствования гидродинамических метопов расчета параметров инъецирования раствора необходимо производить на основе классических метопов подземной гидромеханики, разработанных Л.С.Лей^ензоном,

С.А.Христиановичем, Г.И.Баренблаттом, И.А.Чарным, Ю.ПЛелтовьм, А.Нам5ефором и другими.

В целом, исследованием тампонажа горных пород в той или иной степени занимаются в «ПТУ, ЫГГУ, СГЙГИ, ИГД им. А.А.Скочинского, НИИОСПв, ПО "Спецяампонажгеология", комбинатах "Днепроиахтострой", "Кузбассшахтострой", "Ростовиахтострой", ДснУГл, ','акИСИ, Свердловской горной Академии, Новочеркасском, Кузбасском и Пермском технических университета::, ШИСЖСе, Кузнкилахтострое, Гипроспен-проекте, НИИГе им. В.В.Веденеева, ЦКИИСе, ВИОГЕМе и некоторых ■ других научно-исследовательских и производственных организациях СНГ. Из специализированных фирм дальнего зарубежья можно выделить фирмы "Солетанш", "Ваши", "Кокен-Боринг" и ряд других.

Анализ вышеприведенных результатов исследований показывает, что одним из элективных способов уменьшения водопрятоков в выра-. ботки и повышения устойчивости породного массива вокруг них является- инъекционное г'изико-химическое воздействие. Несмотря на многообразие инъекционных способов Физико-химического воздействия на породный массив, объемы применения тампонажа горных пород при строительстве выработок в сложных горно-геологических условиях незначительны. , К настоящему времени разработаны физические основы тампонажа горных пород грубодисперсными смесями на основе цемента, однако механизм заполнения трещин тампонажным материалом изучен пока недостаточно. Отсутствуют методы оперативного гидродинамического и геофизического контроля состояния породного массива на различных стадиях его тампонирования. Отмеченные недостатки приводят к существенным погрешностям в определении параметров и непосредственно реализации технологии тампонажа. На практике это приводит к необходимости проведения последующего тампонажа после предварительного, либо к многократной инъекши.

2. Исследование процесса инъецирования тампонажных растворов в породный массив

На основе результатов экспериментальных и теоретических исследований, выполненных в Кузииишахтострое, Е.Г.Дудой и В.А. Хямяляйненым предложена схема заполнения трещины цементным материалом при движении раствор? от скважины. Согласно данной схеме различают три области течения раствора от скважины. В области I наблюдается беэосадочное движение со скоростью, превышающей кри-

тическуго скорость ЯГкр . В области П образуется устойчивый осадок за счет седиментации цементных частиц вследствие уменьшения скорости потока. По мере осадкоЪбразования над осевшей твердой Фазой устанавливается течение с постоянной скоростью Я7кР и постоянной площадью живого сечения потока сО*р . В области Ш наблюдается течение отфильтровывающейся (вследствие седиментации цементных частиц) жидкой Фазы раствора.

На основе изложенных Физических представлений разработана обобщенная математическая модель процесса инъецирования раствора в скважину путем учета осадкообразования изменением коэффициента проницаемости породного массива по длине потока. Однако представленная . модель не полностью учитывает все Физические особенности механизма заполнения трещин цементным материалом. В частности, «е учитывается то, что со временем на некотором расстоянии от скважины в области П осесимметричное течение раствора преобразуется к плоскопараллельному по отдельным каналам.

В связи с- вшеотмеченным для разработки научно-обоснованной технологии заполнения трешин цементным материалом представляет научный и практический интерес исследование условий каналообразо-вания. Расстояние, начиная с которого течение раствора в области П пойдет по отдельным каналам, определено исходя из того, что преобразование осесимметриччого течения раствора в трещине к плоскопараллельному (по отдельным каналам) происходит в момент, когда силы сопротивления дзи*ечшо при осесимметричном течении станут равными силам сопротивления при плоскопараллельном и даже будут превосходить их. Исходя из указанных Физических представлений-лля определения расстояния Ъ = /?к > с которого начинается процесс, каналообразования, получено слепукгтее уравнение:

йг-^

+ \ * 1

_

\ 11

- лК

*>Р V Р.1 Р

г

+ 1 У + 1

Як V яИ

$ Иле + \ + 1 ) + 1

л

№ -

V Я

в * 7Г (¿к-Ххр) ' (1)

¿■к

где - внутренний рапиус зоны седиментации цементных частитд

II при движении раствора от скважины, м; 5 - среднее раскрытие трещины, м; - радиус канала, м.

Если площадь поверхности осевшей твердой Фазы положить равной площади верхней стенки трещины, то уравнение (I) для определения значительно упростится и примет вид

= 2 Л - 1 , (2)

где

Л = 'б / 7,к ( Л * 2).

В предельных случаях, когда диаметр канала равен раскрытию трещин Я-* 3, а когпя диаметр канпла. много меньше

раскрытия тсещины &'гп £ * / <? кР — •

ОО

Анализ схемы заполнения трещины позволяет также уточнить и дополнить существующие представления о реологии нестабильных цементных растворов.

Зависимость касательного напряжения £* от градиента скорости раствора по высоте потока сСтГ/с1к для стабильных растворов (Ц:В ? 1:0,5) имеет общеизвестный вид

_ . ЛтГ

С = ¿0 * /< — • (3)

Реологию нестабильных растворов предложено описывать следующим уравнением: _ Ь^-То//*) .

т- /, с/тГ

Т° + / I "77 / ' 0 * - а >

г , г[с1к/ ан (4)

| и ¿Г V

. ^ 771 ' ¿.И ■

Известное уравнение (3) не требует никаких пояснений, а его использование предполагает лить информацию о величинах предельного динамического напряжения сдвига Т0 и коэффициента структурной вязкости ул . Поэтому остановимся несколько подробнее на

описании предлагаемого уравнения (4).

При малнх скоростях потока раствора и, соответственно, малых величинах градиента скорости с1тГ/Нк. в режиме интенсивной седиментации нестабильный раствор ведет себя как пластичное тело. При _с/гГ/а(/г — О Х-»'С0 . По мере возрастания скорости V и градиента ¿гГД/А все более проявляются вязкостные свойства. При достижении средней скорости по1-о;:а (отношение расхода раствора к. площади живого сечения потока), равной минимальной безосадочной 1ГКр , т.е. при с1тТ/с1Ь » а" , раствор движется в безосадочном режиме и вязкостные' свойства преобладают над пластическими. Нелинейная реологическая зависимость плавно переходит в линейный закон трения гомогенной жидкости. При этом несколько меняется Физическая сущность коэффициента /I : коэффициент структурной вязкости переходит в коэффициент динамической вязкости. Величину критерия перехода от нелинейного к линейному закону трения, очевидно, ориентировочно мокно принять равной а* = ТГкР/(0,5 с1 ), где сС -диаметр живого сечения потока раствора.

Заполнение трещинч цементным материалом определяется не только вытерассмотреннкм механизмом седиментации и реологией тампо-Накного раствора, но. и проникающей способностью раствора. Под проникающей способность» понимается способность раствора (суспензии) только проникать в трещины. В качестве критерия проникающей способности Кп предложена величина отношения расхода раствора и воды 0в через устье трещины при одной величине ее раскрытия 5 и одинаковом давлении рск : Кп = 0р / 0.5 . Величина Кп является Функцией безразмерного отношения диаметра частицы с1 к величине раскрытия трещины б (3 = <¿/5 ), насыщенности потока твердыми частицами К , и давления потока в скважине Рск . Предложенный подход к оценке проникающей способности цементных растворов подтверждают результаты лабораторных экспериментальных исследований Е.Г.Дуды, выполненных на калиброванных круглых отвер- -стиях.

На ^основе выполненных исследований заполнения трещин тампо- ' нажным материалом совместно с КузГТУ разработана математическая модель фильтрации цементных растворов в трещиноватом массиве. Моделирование выполнено с использованием уравнений механики сплошных сред. При этом, как частный случай из системы уравнений нестационарной Фильтрации получено следующее обобщение известного уравнения Лапласа для распределения давления Р при стационарной

Фильтрации:

Ti + Tí + Tí + lílf lf iF^lf + Yo (5) "

'aii + Ъх* * 2x¡ + F X^xi'dx^ Ъх2Ъхг + ЪхъЪ*з)~ '

rae F - Функция Физического состояния среды "раствор-горный массив", определяемая как отношение коэффициента проницаемости массива к к произведению коэффициента трещиноватости м. на коэффициент кинематической вязкости раствора V ■ , с; , 3C¡>. > Х3 - декартовы координаты, м.

В случае плоско-радиальной Фильтрации из одиночной скват.инн после перехода к полярным координатам и решения простершей краевой задачи 1-го рода получено выражение для определения распределения давления по длине потока Р ( Z ):

Г 3 1/3

L К ~ х-с*. Я. ~ RÍK J

rne¿}- деформационная характеристика массива, Шu',PV)PK~ давления на скважине и контуре, Ша - радиусы скважины и цементации ,м.

В стационарной постановке достоверность предложенной'мильт-рационной модели подтверждена ре&„ льтатами эксперимента на физической модели трещиноватого массива конструкции Куэниишахтостроя, представляющей собой радиальную щель, образованную деформируемой средой.

С целью оценки влияния на.расход раствора длины и диаметра скважины, давления нагнетания и Фильтрационных характеристик упрочняемого массива численно реализована модель плоско-радиальной Фильтрации. При этом Фильтрация нестабильных растворов с Ц:М:1 рассмотрена на основе построенной модели, а густых неседиментиру-ю'дих, как обычных вязко-пластиков без наличия ядра потока. Анализ результатов численного счета показывает незначительное влияние деформационных свойств массива и концентраций раствора, несколько большее влияние диаметра скважины и давления нагнетания и очень значительное влияние коэффициента проницаемости массива (рис. I).

В натурных условиях экспериментальные исследования Фильтрации цементных растворов и хронометражные наблюдения проведены при последующей цементации горных пород на участке вентиляционного ствола № 2 шахты им. Ф.Э.Дзержинского НПО "Прокопьевскгидроуголь". Исследования выполнены для значений коэффициента проницаемости k0 = 0,022-Ю"12; 0,274'ПГ12; З.З'Ю"-12 м2.

cït бЬ ЙТь-Jo'm2 o,os oj ojs ji.io'ai'

фй-М-й-<ХЫ

y^im,

р-знн. Илh

'¿А

< —_

¿1С

щ

■so

io 5

P'IUOx Wi-i'i fi'O

s

0 o,osn

s

oj Hs ^ibio'y 'v W / ito Mll.Sû%*

РисЛ. Графики зависимости расхода раствора ( 0 ) от коэффициента проницаемости ( •ко ), концентрации раствора (Ц:В), деформационной характеристики массива (£ ), давления нагнетания (Р ) и диаметра скважины ( <1 )

3. Обоснование и совершенствование способов контроля состояния породного массива при тампольже

За основу контроля состояния массива при предварительном тампонаже принят гидродинамический метод.

Качество предварительного тампонажа, осуществляемого с целью создания противофильтрационной завесы вокруг выработки, можно оценить по величине остаточного водопритока в первом приближении по формуле Дютзи

= ¿ЗГмьР

где Ô - водопроток через завесу, м3/с; M - мощность водоносного горизонта, mî дР - перепад давления при фильтрации, Па;"

1<з - средняя величина коэффициента проницаемости завесы, м^; щ - коэффициент динамической вязкости воды, Па'с; £3 , - падиусы, соответственно, завесы и выработки, м.

При наличии информации об изменении коэффициента ппоницае-пости завесы вдоль радиуса Ъ , аппроксимируя это изменение экспоненциальной зависимостью, целесообразно использовать более общую Формулу С.С.Лушниковой

>8. -рк-в / г

а = яТГМ дР -к3 е /{Мб)

-^//„."с3 Лг

7 Р ^

Кб ге

(8)

где "К3 - величина коэффициента проницаемости завесы на контуре выработки, м^; $ - параметр аппроксимации, м~~.

При Формировании поотивоФильтрационной завесы вокруг вертикальной выработки в виде предложенной многослойной тампоначшо-дпенажной завесы эффективность ее многосложности можно оценить коэффициентом

кт-£ =--н--(9)

1 Ь> ** ыкз+къ + д ц + Аз + Ь + ко ^ ИцЬ

Кз + ^з+ Ь Ц 4 и«

где аз - величина остаточного водопритока в ствол при наличии многослойной тампонажно-дренажной завесы, м3/с; - величина остаточного водопритока при наличии сплошной тампонажной завесы, м3/с; 'ко - величина коэффициента проницаемости незатампонирован-ного породного массива, м^; Ь3 - толчмна одного затампонирован-ного слоя многослойной завесы, м; Кэ - толщина промежуточного дренажного слоя, м.

Учитывая процесс каналообразования в зоне заполнения трещин тампонажным материалом, величину остаточного водопритока в выработку после тампонажа можно оценить по режиму нагнетания раствора в скважину на последней стадии. Тогда, определяя коэффициент эффективности тампонажа Кт как отношение величины водопритока в ствол после и до тампонажа, величина Кт определяется по следующей Формуле:

. а!. М.)' _ {в)

I1 Ь, т„5„ М*

гае «ск - расход раствора в скважину в момент скончания нагнетания, м3/с; б к. - выход тампоцажного камня; - коэФФини-ент тпецинной пустотности; 50 - среднее раскрытие тпепин до тампонажа, м.

За основу контроля состояния массива при_последуючим тампонаже нообводнпнных пород приняты пеочетпический и электрометрический, метопы. В качестве основного контролируемого параметра принят коэффициент пустотности породного массива до тампоната, после его окончания и в процессе эксплуатации выработки.

Методика определения коэффициента, трещиноватости (пустотности) породного массива до цементации.основывалась на том, что абсолютная пустотность определяется величиной смешения породного контура после проведения выработки и естественной пустотность» массива до проведения выработки.

Аналитическое определение коэффициента трещинной'пустотности до тампонажа осуществлялось в рамках модели плоской геФоомапик -массива вокруг круглой выработки. Моделируемая область разбивалась на 4Э кусочно-постоянных элементов. Принята модель нелинейной опеки, учитывающая вязкопластические деформации и позволяющая устанавливать закономерности смешения точек породного массива во времени. Скорости смещения контура выработки определили при помехи метода граничных элементов. Коэффициент пустотности определяли как сумму первоначального (до пповедения выгаботки) и технологического (дополнительного после проведения выработки)' следующим образом : -

Ъи(г)

т. СО «

(II)

где М. ( Ъ ) - распределение коэффициента пустотности массива при удалении от контура выработки; Уп0 первоначальный коэффициент пустотности; Ц, ( 7, ) - распределение смещения точек породного массива, м.

Приведенная методика численно реализована применительно к условиям проходки вентиляционного ствола ? ш. "Октябрьская-Южная" ПО "Ростовуголь". Горные породы представлены глинистым и песчаным сланцами, а также песчаником. Максимальная величина дополнительного (после проведения выработки) коэффициента трещинной пустотности составила для сланца глинистого в течение 1 суток 0,02; I месяца - 0,08; I года и больше - О.Я'*; пля сланца песчч-

ного в течение I суток - 0,004; I месяца - 0,015; I года и больше - 0,025; для песчаника в течение I суток - 0,002; I месяца -0,007; I гола и больше - 0,01. . '

Геометрический метод предполагал поинтервальное нагнетание в шпуры воздуха или воды и оценку по известным способам распределения поглощающей способности массива | ( Т ) по скорости паления давления воздуха в аккумулирующей емкости или расходу воды. При этом распределение коэффициента трещиноватости |-vu ( 1 ) при удалении от контура выработки предложено определять из выражения

ги-t * м.1 + m*>[kl - (i + и)2] о

т(г)= --щ--—- i(r) , ( ?)

zftWzcCz i

где In ос,- - коэффициент трепиноватоети массива до проведение выработки; LI - относительное (отнесенное к гадиусу деформированного участка контура выработки) смещение пород на контуре выработки; Rß - относительный радиус влияния выработки; Z - относительный текущий радиус.

При натурных замерах распределение поглощчю'прй способности массива £ ( ъ ) целесообразно, аппроксимировать степенной или экспоненциальной зависимостью.

, В процессе Фильтрации цементного раствора в породном массиве происходит его увлажнение, изменяется пустотность, вследствие седиментации цементных частиц. Это приводит к изменению электрических свойств породного массива на разных стадиях его цементации. Путем проведение лабораторного эксперимента установлена Зависимость удельного электрического сопротивления JJ (УЭС) цементно-песчаной смеси при ее увлажнении минерализованными растворами до насыщения, а также на стадиях схватывания и твердения цементного камня. После увлажнения УЭС J5 смеси снижается на 2-3 порядка по отношению к УЭС сухой смеси. Через 50-100 часов начинается повышение р в процессе схватывания раствора и твердения цементного камня. Через 300-1000 часов в зависимости от степени минерализации раствора происходит полное химическое связывание воды, влажность образца достигает уровня естественной влажности породного массива. В дальнейшем происходит высушивание образца и величина J5 приближается к значению . Для раствора, соответствующего шахтной воде ( J> = 3-15 Ом'м), время стабилизации электрической структуры цементного камня и зацементированного массива составляет 300г350 часов. По истечении данного срока после нагне-

тания зацементированный породный массив становится не только более монолитным, но и электшчески более однородной средой, дальнейшее .изменение р которой возможно только при появлении, трещин.

Одним из наиболее существенных Факторов, влияющих на коэффициент остаточной пустотности зацементированного массива, является глубина проникновения раствора от скважины. Используя известное выражение для потенциала точечного источника, представленного в виде ряда через полином Лежандра, и'ограничиваясь первым слягае-мым разложения, для 4-х электронной схемы гпапиент-зочгл получено следующее вытяжение для определения радиуса цемечтчпии R в зависимости от изменения УЭС J3 массива е процессе Фильтрации -

где L .- расстояние между нагнетательной и параллельной ей контрольной скважинами, м; />с - УЭС массива до цементации (при R = 0), Ом'м; Ü - геометрический коэффициент установки электронов! С - коэффициент отфидьтрсчывания жидкой *азы Раствора по длине потока от скважины ( С ¿ I).

Для оценки остаточной пустотности зацементированного порочного массива на основе анализа влияния влажности па УЭС пород предложено увлажнять зацементированный массив до насыщения. По величине отношения сопротивления насыщенного массива к опорному значению сопротивления предложено определять качество цементации. В качестве опорных значений сопротивлений приняты сопротивления ненарушенного массива, естественной влаги, бетона (при наличии бетонной крепи). Относительная оценка изменения пустотности массива ' вследствие цементации может быть произведена по изменению УЭС без пополнительного его увлажнения до насыщения.

Контроль состояния зацементированного массива в процессе эксплуатации выработки предложено оценивать по изменению УЭС во времени, которое характеризует изменение относительного приращения остаточной пустотности зацементированного массива.

Влияние экранирования выработки на величину УЭС породного массива учтено поправочными коэффициентами. Наличие полости выработки приводит к увеличению УЭС, а наличие крепи с металлической арматурой - к уменьшению УЭС. При удалении от контура выработки влияние экранирования уменьшается."

Результаты теоретических исследований электрометрического

контроля состояния породного массива подтверждены результатами лабораторного и натурного экспериментов. Натурные исследования выполнены в камере гидроподъема га, "Юбилейная".

4. Разработка и обоснование технологических решений по совершенствованию предварительного тампсна-ла обводненного породного массива

Выполненные в разделе 2 теоретические и экспериментальные исследования заполнения тгещич тампонажнкч материалом позволяют на стадии проектирования тампонажных работ установить взаимосвяз! между режимом нагнетания, Физическими свойствами раствора и тампонируемого массива, а также радиусом распоостранения тампснат-ного раствора от скважины. Режим нагнетания характеризуется давлением на скважине Рси , расходом раствора , временем Т заполнения тое'пинных пустот на требуемое расстояние К от скважины. Основными Физическими свойствами раствора и тампонируемого массива, влияющими на параметры нагнетания, являются коэффициент динамической вязкости раствора /X и его концентрация (Ц:3), 'коэФФиниент проницаемости -к0 и -оэФФициент трещинной пустотнос-ти УУ10 .

Ниже приведен численный анализ взаимосвязи указанных параметров. При этом использована разработанная совместно с КузГТУ математичеека«.модель инъецирования тампонажного "раствора в скважину. 3 указанной модели учтена установленная в разделе 2 пополнительная зона течения раствора по наяалам. То есть« в отличие от ранее рассматриваемой трехслойной модели рассматривалась четн-рехслойная модель Фильтрации раствора при удалении о* скважины. Алгоритм численной реализации усовершенствованной модели йключает в себя следующие укрупненные этапы.

На первой стадии нагнетания ( я con.it ) эапаю* радиус качественного тампонирования Ц с определенным шагом 4 й . Определяют величину £Кр . Если >, й , то переходят к рассмотрению однослойной модели (зоны П* ¡Р и Ш при расчётах исключаются из рассмотрения). Определяют Рск , при достижений которого обеспечивается требуемый радиус тампонирования Ц , а также время Т необходимое для этого. При понижении радиуса К или пиления до требуемой величины вычисление при - чгщЪ прекращают .

Иа второй стадии нагнетания ( Рск = con.it ) процедуру вычислений продолжают, только вместо величины РС1С ведут вычисление Qc-к по тех пор, пока она не уменьшится до требуемой величины. На этой стадии идет анализ дополнительного уплотнения трещин там-понажным материалом за счет уменьшения скорости потока и увеличения тем самым седиментации твердых частиц в пределах радиуса тампонирования, набранного на первой стадии нагнетания.

Таким образом, первостепенное значение безусловно имеет первая стадия нагнетания, когда набирается требуемый радиус качественного тампонирования R . Поэтому ниже приведены результаты численного счета параметров нагнетания на первой стадии при следующих исходных величинах: Д = GCK /* ./2?Г/^0 = 3762 Па; 1>10 0,01; /а. * 0,0023 Гк'с; R ■ 3,5 м. На рис. 2 представлены графики, характеризующие увеличение давления на скважине во времени при увеличении радиуса тампонажа до R --=3,5 м. Конечная точка графиков характеризует требуемые давление на скважине Рск и время Т для достижения указанного радиуса тампонирования EL « 3,5 м.

1551 2107 гзм Т,С

Рис.2.Графики зависимости давления на скважино Рск

времени нагнетания Т;

от

I - А » ЭГ762 Па, М0 * 0,0075; 2 - А * 3762 Па, Мс

3 - А * 3762 lb, м0 « 0,02; 5 - т0 с 0,01, А х

- 0,015;

4 - А » 3762 Па, т0 * 0,01; 7524 Па; 6 - vn0 «. 0,01, А » 15047Па

Предварительный тампонаж обычно выполняют через скважины в иве очереди. К скважинам первой очерёди относят скважины, зоны распространения раствора из которых не накладываются друг на друга. К скважинам второй очереди относят промежуточные скважины.

и-ы

Интерференцию скважин учитывают увеличением давления нагнетание пропорционально уменьшению коэффициента проницаемости.

При определении параметров технологии предварительного тампонажа вокруг вертикальных выработок особую актуальность имеет вопрос оценки илянн проницаемого участка скванины (длимы ташю-нажной заходки). Рез^льтчты исследования заполнения тго-пич там-понажннм материалом позволили усовершенствовать методику опрепел»?-ния длины тампонажной затопки Ку?чиипттостроя и КузГТ»' путем уч-° -та процесса каналообразовяни". Для определения длины тэмпоняжной

заходки получено следующее '.'равнение:

&р*\--£-+

а 2.А к о

где С - пличя тчмпонажной заулдки, м: , у^ - удельный «ос растяога и поды, Н/мэ; р , р. § - коэффициент динамической вязкости раствора и яоды, Па'с: д Ркр - перепад давления раствора п кровле водоносного горизонта, Па; лРс^( 2: ) - потери паялени" на проницаемом участке скважины, п; (Зек. - оаоход растзога в сквч-жину, мэ/с.

Результаты определения параметров технологии предварительного тампонажа реализуются в разработанной совместно с Кузниишахто-строем технологической схеме, включающей в себя схем;/ расположения оборудования, очередность бурения тампонажны скважин и нагнетания в них раствора. Предусмотрено два варианта размещения там-пончжного оборудования: на поверхности земли и в устьевой части ствола (рис. 3).

Технологическая схема размещения оборудования на поверхности земли (рис. За) включает в себя бункер для цемента I, здание временного растворного узла 2, турбулентный растворосмеситель типа С-869 3, став тпуб для подачи воды и раствора в ствол 4 и 5, манометр б, поверхность земли. 7, забой ствола 8, насос 9, тампонаж-чую головку 10, двухходовой кран дл* регулирования давления нагнетания' II, обратный отав труб для циркуляции раствора 12.

Технологическая^ схема размещения оборудования в устье ствола (рис.. Э5) включает в себя несущую раму I, блок емкостей компонентов растворов 2, затвор 3, питатель V -образный 4, дозатор объемный 5, лестницу приставную б, смеситель 7, течку приемную 8, трубу

подачи растрора 9, станок буровой 10, расходную епкость II, каркас полка 12, емкости для цемента 13, емкость для жидкого стекла 14, емкость для хлористого кальция 15, насос цементационный 16, водомер 17, трубу для воды 18, трубу для сжатого воздуха 19.

гЗ

\\ и || ¡1

Чу

-»г

Рис. 3.Технологическая схема размещения тампонажного оборудования на поверхности земли (а) и в устье ствола (б)

Вторая технологическая схема позволяет избавиться от сооружения отапливаемых приствольных растворных узлов и не создает помех при оснастке ствола к проходке. Склад цемента размешается в трубах большого размера. В трубах малого диаметра содержатся добавки жидкого стекла и хлористого кальция. Такая конструкция

обеспечивает простую схему приготовления тампонажных растворов любых концентраций и составов. Оборудование по бурению скважин, приготовлению и нагнетанию тампонажных растворов принимается в зависимости от мощности тампонируемой зоны горных пород.

Бурение скважин и нагнетание раствора реализуется посредством комплекса разработанных взаимно дополняющих друг друга способов, включающих в себя изменение длин тампонажных заходок', регулирование режимов нагнетания с учетом изменения состояния цементируемого массива на каждой последующей скважине, учет Физических особенностей цементации трещиновато-пористых горных пород.

Бурение скважин осуществляется с перерывами, во время которых определяют водопоглощение скважины. Интервал бурения до первой остановки ориентировочно определяют заранее на основании имеющихся сведений о трещиноватое?« и гидродинамических характеристиках подлежащего тампонажу породного массива. Если поглощающая способность вскрытых скважиной трещин недостаточна для полного использования "производительности средств нагнетания, то скважину углубляют.

При постижении водопоглощагаией способности скважины, соответствующей производительности средств нагнетания при давлении, заданном для нагнетания Раствора, бурение.скважины прекращают, рассчитывают удельное водопоглощение, определяют параметры процесса нагнетания и концентрацию раствора, готовят и нагнетают раствор.

Нагнетание прекращают после заполнения трещин на требуемое расстояние от скважины и до необходимой плотности. Закончив нагнетание, скважину выдерживают загерметизированной до схватывания раствора, после чего ее углуо';гнют на величину следующей захоики. При этом снова периодически останавливают бурение и делают пробные закачки воды для определения водопоглощения скважины, и далее цикл операций повторяется, как в предыдущей заходке.

5. Разработка и обоснование технологических решений по совершенствованию последующего тампонажа горных порол

Последующий тампонаж горных пород получил наибольшее распространение с целью упрочнения породного массива при сооружении капитальных горизонтальных горных выработок. При сооружении стволов последующий тампонаж применяется, как правило, с целью ликвидации остаточных водопритояов после предварительного тампонажа; в отдельных случаях используется и как самостоятельный способ создания

противоФильтрационной завесы вокруг вертикальной выработки.

С точки зрения непосредственно технологии инъецирования раствора в скважину не имеет принципиального значения расположение выработки - горизонтальное или вертикальное. С точки же зрения полной организации всего цикла работ по тампонату, включающего в себя операции по бурению скважин, приготовлению растворов, контролю состояния породного массива, а-также "вписыванию тампонажных работ в общий цикл горно-проходческих работ по проходке, креплению и армированию выработки, имеет принципиальное значение расположение выработки.

В соответствии с вышеизложенным в настоящем разделе в первую очередь рассматриваются вопросы совершенствования технологий послед,уюаего тампонажа применительно к горизонтальным выработкам. При этом, учитывая, что технология тампонажа в определенной степени разработана для протяженных выработок, уделено внимание исследован™ условий проведения и поддержания сопряжений горных выработок.

На угольных шахтах России и в целом СНГ' наблюдается многообразие видов сопряжений горньгс выработок. Так, только на шахтах Восточного Донбасса- за последние годы было зарегистрировано одиннадцать видов сопряжений. В одинаковых говно-геологических и горно-технических условиях встречаются по 3-5 различных: видов, которые значительно отличаются не только пролетом и длиной узла, но и объемом выемки; неодинакова и устойчивость крепи сопряжений.

В слабых и сильно трещиноватых породах'большим деформациям подвергаются следующие виды сопряжений: треугольный узел при размере породного целика менее 10 м;дв,устороннее ответвление; ответвление под углом менее 35° и по кривой радиусом более 2П м. Основной характер деформаций пород кровли выражен в развитии трешино-ватости и расслоении пород. Породы в боках раздавливаются и обпутаются внутрь выработки. Особенно этот процесс деформации характерен для породных целиков между сопрягающимися выработками, которые разрушаются на 0,5-1,0 м вглубь массива. Менее подверженными деформациям крепи оказались развилки и ответвления с углом поимы-кания более 35°. При величине смещений пород кровли 201 мм и более рекомендовано упрочнение пород в сочетании с металлической рамной крепью.

Инъекционному упрочнению породного массива предшествует заполнение закрепных пустот. Заполнение закрепного пространства

.твердеющими материалами сопряжено с дополнительными материальными и трудовыми затратами, величина которых определяется принятым вариантом технологии. Поэтому выполнены анализ и исследование тампонажа закрепных пустот за арочной металлической крепью. При расчете трудоемкости заполнение блли использованы нормативные документы и дачные хпонпметчажных наблюдений.

Сравнительный анализ ношативчой трудоемкости показывает,что при применении различных вариантов технологии полного заполнения с гидроизоляцией контура выработки, заделкой щелей в мржгямнсм ограждении вручную и без гидроизоляции контура этот показатель изменяется незначительно (в пределах 4 <&). Существеннее енигеьхе -трудоемкости эчполиени« достигается при использовании в ка^ссто гидроизоляционного покрытия слоя набпызгбетона (на Г4 <) и полос из.водонепроницаемой ткани (на 19. Я).

Трудоемкость заполнения закрепнья пустот только в. свопе выработки при использовании в качестве гидроизоляционного покрытия полос из водонепроницаемой ткани практически одинакова как для гидромеханического, так и для пневматического .с осевой подачей материала способов. Применение пневматического с радиальной подачей материала способа заполнения закрепного пространства только а своде выработки узвлигчивэ,бт трудоемкость но. 5—6 При гидроизоляции контура выработки заделкой щелей вручную трудоемкость гидромеханического заполнения и пневматического с осевой подачей материала возрастает-на 14 и 6 соответственно.

Частичное заполнение "закрепим* пустот не является равноценной заменой полному. В условиях шахт Восточного Донбасса при полном заполнении закрепного пространства твердеющими материалами смещения пород кровли в зоне влияния очистных работ снижаются на 30-50 при заполнении только сводовой части - на 22-35 при укладке на верхней рукавов или мешков, заполненных твердеющим материалом, - на 5-15

Однако в определенных горно-геологических условиях для значительного снижения затрат на поддержание выработок достаточно заполнения только сводовой части закрепного пространства или части закрепного пространства только над верхнтеом крепи.

Исследования, выполненные в Кузбассе, показали эффективность крепления выработок универсальной блочной гладкостенной тюбинговой крепью, что существенно решает проблему создания изолирующей оболочки для предотвращения вытекания тампонажного раствора.

В качестве другого эффективного варианта создания изолирующей оболочки вокруг выработки можно рассматривать применение передвижной или инвентарной металлической опалубки.

На основе результатов Фильтрационных исследований разработана новая нормативная база на нагнетание цементных растворов в зависимости от проницаемости породного массива и режима фильтрации. В таблице I приведены нормы времени на нагнетание цементных растворов для базисных условий (длина скважины - 2 м, диаметр - 0,043 м, давление нагнетания - 2 МПа). Переход к другим условиям осуществляется через соответствующие коэффициенты.

Предложен способ инъецирования через скважины переменного, гидродинамического сопротивления. Суть способа заключается в учете изменения коэффициентов треииноватости и проницаемости при удалении от контура выработки .путем искусственного увеличения гидродинамического сопротивления движению раствора в скважине на участках массива с большей треплиноватостью. Реализация способа ' возможна путем неравномерной изоляции стенок скважины или путем использования специальных инъекторо!>. Применение способа позволяет регулировать зону распространения раствора по длине скважины в соответствии с измачением коэффициента проницаемости.

Таблица I

Нормы времени на нагнетание цементных растворов (чел.-час на 100 м*3 раствора)

! Коэффициент проницаемости к0 » 1012, м2

Ц : В ! ! < 0,8 } 0,8-1,5 ! 1,5-3 | !" з-ю ; 10-20 г ; > го

4 1:0,5 . 1850 1460 1210 797 566 48 Я

1:1 1800 1410 1160 746 5Т5 431

1:2 1760 1370 ИЗО 710 478 394

1:3 1740 1360 НЮ 695 464 гдо

1:5 1730 1340 1090 683 452 36В

Разработан способ последующего тампонажа с непрерывным контролем состояния породного массива до, в процессе и после нагнетания раствора по изменению его УЭС,

С целью проходки зон геологических нарушений, ликвидации аварий при вывалообразованиях совместно с Кузниииахтостроем разработана технология комбинированного тампонажа. Технология предполагает предварительное упрочнение, проходку выработки и последующее

упрочнение по контуру выработки (рис. 4).

Ríe. 4.Технологическая схема комбинированного тампонажа:

I - разведочные скватшны; 2 - тапуш: 3 - сцементированная порола: 4 - затвердевший' цементно-песчвньтй раствор: 5 цементационные скват.ины; б - деформированные стойки крепи; 7 - гоаница породного обрушения: 8 - тампонакная перемычка; 9 - цементационная головка;10 - буровой станок HKP-I00M; II - насос HB3-I20/40: 12 - емкость для раствора: 13 - раст-воросмеситель СБ-43; 14 - вагонетка ВГ-3.3

б. Технико-экономическая объективность и внедрение разработанных способов тампонажа

Эффективность разрёботанной технологии предварительного тампонажа достигается за счет обеспечения возможности регулирования режима нагнетания тампонажного раствора в скважину, увеличения длин инъекционных скважин, уменьшения объема буровых работ и рас- • хода тампонажных материалов, улучшения организации работ всего проходческого цикла.

Эффективность разработанной технологии последующего тампонажа достигается за счет применения новой нормативной базы на нагнетание раствора, возможности контроля состояния породного массива на различных стадиях его тампонажа, управления геометрией области Фильтрации тямпонатного раствора от-скважины в неоднородном по проницаемости массиве.

Технолог«?! ко-.йгш'/гро'тиного тампонада позволяет с минимальными

трудозатратами осуществлять проходку выработок в зонах геологических нарушений, на аварийных участках с вызалообразованием.

. Результаты внедрения разработанных технологических решений в Кузбассе и Восточном Донбассе приведены в таблице 2. Экономическая эффективность, приведенная для отдельных объектов, определена в ценах -1990 года за счет уменьшения Физических объемов там-понажных работ.

Кроме производственных объектов, основные результаты исследований внедрены в 4 нормативных и руководящих документах, два из которых утверждены в бывшем Минуглепроме СССР. Результаты работы используются в учебном процессе в Шахтинском филиале КГТУ.

Таблица 2

Результаты внедрения технологии тампонажа в Кузбассе и Восточном Донбассе

Шахта

Бьтаб отка

?Длина г Вид- !Пепво-!0ста- !Эконо-!,участ-' тампонажа' начальгточный!ничес-'ков ! 'ный 'водо- 'кий

' водо- 'понтон.! эФФект

'ков '.тампо-' !нажа,м! i t

Березовская вентиляционный, возпухопопаю-щий," новый скиповой стволы 338 предварительный 175 3-5 636,1

Им. З.И. Ленина новый.клетевой ствол 246 t» 127 10 100,8

им. Ф.Э. Дзержинского вентиляционный ствол "• 2 720 последующий - - 43,0

Юбилейная камепа гидро-погьемз 150 - - ■ 56,0

Краенока-менская узел 15,зу\гтФ скипового ствола 38" - - -

Октябрьская-Южная вентиляционный, воздухоподаощий, скиповой стволы 190 14,1 1,3 232

Коксовая . новый скиповой ствол Z) КОМбИНИТЭО-ванннй - - -

им. М.И. Калинина сопряжение клетевого ствола 15 »г - - -

Бунгурская гл.кзегалаг гор. +160 м 30 - - -

Фактическая экономия за счет совершенствования технологии тампонажа только на отдельных .объектах составила в пенах 1520 года

1,068 млн.руб.

• • ЗА1ШЮЧЕ1ЙЕ

В диссертационной работе изложены научно-обоснованные технические и технологические решения по совеотенствованию тампонажа горных пороз, цементацией, обеспечивающие позжение его качества, снижение трудоемкости и сток;,«ости, внедрение "отэрых вносит значительны"? вклад э ускорение наутно-технчческого прогресса в технологии шахтного строительства.

Основные научные результаты, вывозы я рекомендации сводятся к следующему.

I. Несмотря на*многообразие инъекционных способов Физико-химического возлействпп на породный массив, объемы применения тампонада горных пород цементацией при строительстве выработок в сложных'горно-геологических условиях незначительны. Зто обусловлено .недостаточной изученностью процесса заполнения трещин тампонаж-нмч материалом, несовершенством технологии и методов контроля процесса тампонажа.

• 2. Установлены условия перехода плоско-радиального течения тампеняжного раствора з трещинах к плоско-параллельному по отдельным каналам при распространении от скважины. Минимальный радиус зоны начала каналообразования равен трехкратному радиусу начала зоны седиментации цементных частиц,

3. Предложен критерий проникающей способности дисперсных там-пона^чых смесей в трещины горных пород в виде отношения" расхода смеси в скважину к расходу воды, зависящий от отношения диаметра твердой частицы к величине раскрытия трещины на устье, насыщенности потока твердыми частицами и давления на скважине. Реологию нестабильных тампонажных смесей при малых скоростях движения в трещинах предложено описывать нелинейной зависимостью касательного напряжения от градиента скорости по высоте потока, которая плавно переходит в линейную с увеличением скорости движения. При этом коэффициент структурной вязкости переходит.в коэффициент динамической вязкости. Величина критерия градиента скорости при переходе от нелинейного к линейному закону трения равна отношению

А* = ЯГКр /0,3 сС , гае У^ - минимальная безосадочная скорость, с1 - пир.метп живого сечения-потока тампонажной смеси.

4. Зм^член нелинейный характер распределения давления тампо-наячого гостчора в зоне седиментации цементных частиц по длине

потока от скважины. Установлено, что на расход раствора в скважину наибольшее влияние оказывает проницаемость массива, в несколько меньшей степени - давление нагнетания, диаметр скважины и концентрация раствора.

5. Предложен геометрический способ оценки коэффициента трещи-новатости породного массива вокруг пройденной выработки, заключающийся в определении смешений породного контура и поинтервальнсм гидродинамическом опробывании тампонируемого массива. Показана возможность аппроксимации распределения коэффициента треаинова-тости до тампонажа степенной или экспоненциальной зависимостью.

6. Обоснована возможность использования электрометрических методов для контроля состояния необводненного породного массива при его тампонаже. Установлено, что изменение УЭС тампонируемого массива в процессе нагнетания характеризует распространение тампонажного раствора от скважины, после окончания нагнетания характеризует процесс твердения тампонажного камня и механические процессы трегцичосбразования в упрочненном массиве. Стабилизация УЭС в процессе твердения тампонажного камня наблюдается в течение 3-4 суток.

7. Разработана технология предварительного тампонажа обводненных горных пород с поверхности земли и из устьевой части ствола, предусматривающая непрерывное увеличение длин тампонажньк за-ходок на очередной инъекционной скважине. Увеличение длин тампп-нагччх заходок позволяет сокпятить объемы бурения, а размещение инъекционного оборудования з устьевой части ствола упрощает технологию тампонажа в зимних условиях и не препятствует оснащению ствола на поверхности земли к проходке.

8. Разработанная технология последующего тампонажа необвод-ненннх пород вокруг пройденных горизонтальных выработок предусматривает учет неоднородности пород по проницаемости при удалении от контура выработки, распределения коэффициента треаиноватости до тампонирования, непрерывный контроль заполнения трещин тампонажнчм материалом и изменение состояния упрочненного'массива в процессе эксплуатации выработки по изменению его УЭС. При'этом установлена особая актуальность упрочнения горных пород при проведении и креплении сопряжений выработок, а также обоснованы рекомендации по выбору материала для тампонажа закрепных пустот. Применение панной технологии позволяет повысить" качество инъекционного упрочнение пород за счет возможности регулирования распространения раствора.

Уменьшается трудоемкость и стоимость работ по поддержанию выработок на 30-40 ■

Разработанная технология последующего тампонажа обводненных горных пород вокруг пройденных вертикальных выработок также предусматривает у«ет неоднородности пород по проницаемости и, кроме этого, предусматривает совмещение операций по тампонажу и армированию выработки. Что позволяет уменьшить водсприток в ствол до нормативных 5 м3/ч, сократить трудоемкость и стоимость сооружения ствола за счет уменьшения обзешахтннх расходов.

9. -Разработана нормативная база .-га нагнетание цементных растворов в зависимости от проницаемости породного массива и режима Фильтрации раствора в скважину, позволякпая расширить область применения -цементации з тонко-трещиноватых породах.

В аварийных ситуациях эффективен комбинированный тампонаж, предусматривающий предварительное укрепление и водоподавление в обрушенной зоне и последующее укрепление пооодного массива после восстановления проектного сечения выработки.

- 3 целом, применение разработанной технологии предварительного и последующего тампонажа горных пород цементацией позволяет обеспечить остаточные нормативные водопритони в ствол 5 мэ/ч, уменьшить трудоемкость и стоимость поддержания горизонтальных выработок за счет исключения перекрегтлекия до 30-40 Фактический экономический эффект от внедрения только на отдельных участках вертикальных и горизонтальных капитальных выработок шахт "Березовская", им. В.К.Ленина, им. Ф.Э. Дзержинского, "Юбилейная" в Кузбассе и "Октябр'-ская-Ояная" в Восточном Донбассе составил в ценах 1993 г. более I млн. руб.

Основное содержанке диссертации опубликовано в следующих работах.

Т. Счр"ин И.О., Филиппов А.И., Антипин З.А. Скоростное проведение выработок в тресте "Кузбасстахтоппоходка" // Шахтное стро- ' ительство. - 1977. - № 3. -'С. 18-19.

2. Счрхин Л.С., Ку.тачкоэ В.К. Крепление наклонного ствола с прим°н°чием пеоедвигной металлической опалубки // Шахтное строительство. - Т978. - Я 6. - С. 23-24.

3. Ь>ппа Н.Э., Сыркич Л.С., Талая Б.И. Крепление узла уни-вегеахс-ой блохой гласкостеччой крепью при строительстве нового горизонта // Пчхтчге строительство, - 1979. - № Ю. - С. 23.

4. Бурков SO.В., Хямяляйнен В.А., Сыркин П.С. Направления совершенствования технологии инъекционного упрочнения горных пород вокруг выработок // Шахтное строительство. - 1989. - № 4. -

С. 17-20.

5. Хямяляйнен В.А., Сыркин П.С. Совершенствование технологии инъекционного упрочнения горных пород на основе исследования Фильтрации цементных растворов // Тез. докл. науч.-гграктич. конф., посвященной 40-летии КузШ. - Кемероро: КузШ, 1990. - С. 43-47.

6. Моделирование Фильтрации тампонажных растворов / Хямяляйнен В.А., Макаров Е.Я., Простое С.М., Сыркин П.С. //Изв. вузов. Горный журнал. - 199I. - № 2. - С. 4-7.

7. Хямяляйнен В.А., Бурков Ю.В., Сыркин П.С. Совершенствование норм времени на нагнетание цементных растворов при последующем упрочнении горных пород // Подземное й шахтное строительство.

- 1991. - 3» I. - С. 20-21.

8. Электрометрический контроль состояния упрочненного массива на ш. "Юбилейная" / Хямяляйнен В.А., Пиостов С.М., Макаров Е.Я., Сьгокин П.С., АгаФонов А.Ф. // Подземное и шахтное строительство.

- 1991. - * 5. - С. 7-10.

9. Простов С.М., Хямяляйнен В.А., Сыркин П.С. Электрометрический контроль остаточных пустот в упрочненном инъекцией горном массиве // Организационно-технические проблемы шахтного строительства: Сб. ноуч. тр. /Кузбас. политехи, ин-т. - Кемерово, 1992. -

С. 135-139.

' 10. _ Хямяляйнен В.-А., Бурков Ю.В., Сыркин П.С. Инъекционные технологии при сооружении капитальных выработок в шахтном строительстве // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: Тез. докл. науч.-практич. конф. /Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 1994. - С. 96.

И. Кку ажуо^сииеа Stj* iiin p, Jt>ipfoved te.fi.notoqy of ific рхе.м!пигу cemeniaÜon cf гwiUißcaxtn/j // 5'tßu ihitt-naiiohae, ж/ие vraiez wngtesi . - Abiitugkam , U.K., proceedtH^ VoCume l. - S, ZSl - 1Ü 6 .

12. Сыркин П.С., Нечаенко В.И., Туркапзе. Эффективность пос-. леаующой цементации стволов на шахте "Октябрьская-Южная" ПО "Ростовуголъ" // Совершенствование разработки угольных месторождений: Сб. науч. тр. / Ростовское научно-производственное изд-do "Недра". - Шахты, 1994. - С. 195-113.

13. Мартыненко И.И., Мартыненко И.А., Сыркин П.С. Технико-экономическое сравнение вариантов заполнения твердеющими материалами пустот за арочной-крепью // Совершенствование разработки угольных месторождении: ОЗ. науч. тр. / Ростовское научно-производственное иэд-во "Недра". - Шахты, 1994. - С. 144-151.

14. Данилкин М.С., Сыркин П.С. Вьйор вида сопряжений горных выработок и расчет параметров крепи // Совершенствование разработки угольных месторождений: Сб. науч. тр. / Ростовское научно-производственное изд-во "Недра". - Шагты, 1994. - С. 169-175.

15. Сыркин П.С. Шахта "Октябрьская-Южная" в строю // Уголь. - 1994. - Р 8. - С. 25-26.

16. Простов С.М., Сыркин П.С.-, Агафонов В.Ф. Технология контролируемой цементации породного массива вокруг выработок // Перспективы развитая горно-добывающей промышленности.» Тез. докл. П Международной науч. практич. конф. / СибГМА. - Новокузнецк, 1995. - С. 51. '

17.'. Хямпляйнен В. А., Простов С.М., Сыркин П.С. Электрофизический контроль распространения тампонажного раствора в процессе

-нагнетания // Изв. вузов. Горный журнал. - 1995. - I» 2. -С. 63-66. _ '

18. Хямяляйнсч В.Л., Простов С.М., Сыркин П.С. Электросопротивление зацементированных трещиноватых пород // ИПРГИ. - 1995.

- !» 5. - С. 49-53.'

19. Хпмяляйнен В.А., Сыркин П.С. Предварительная цементация поропного массива захоаками переменной длины // Изв. вузов. Горный журнал. - 1995. - № 7. - С. 46-52.

20. Хямяляйнен В.А.Полкунов Ю.Г., Сыркин П.С. Оценка распределения третичной пустотности горных пород вокруг вертикальной выработки // Актуальные вопросы подземного и наземного строительства: Сб. науч.. тр. /Куэбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 1996. -С. 110-118.

21. Сьтркин П.С. Обуховская № I - строится // Уголь. - 1995.

- 12. - С. 14-16. ' -

22. Должиков П.Н., Попов И.В., Сыркин П.С. Водоизоляиия и'упрочнение неустойчивых горных пород методом высоконапорного струйного тампона-ча //'Научно-технические проблемы строительства и охраны горных выработок: Сб. науч. тр. /Новочерк. гос. техн. ун-т.—Новочеркасск, 1900. - С. 69-72.

23. Сыркин П.С.t Шубин А.Л. Дммтриенко З.А. Аналитические исследования деформируемости приконтусиой зоны сгиола после проведения тампонада //Научно-технические проблемы строительства и охраны горных выработок: Сб науч . тр./Новочерк. гос. техн. ун-т.-Новочеркасск, 1996. - С. 95-100.

24. Сыркин П.С. Армирование стполоо параллельно с тампонажем вмещающих пород ^Научно-техничоские проблемы строительства и охрат горных выработок:- Сб. науч . тр. /Новочерк. гос. техн. ун-т.-Ноео-черкасск, i996, - С. 91-95.

25. Сыркин П.С.-Упрочнение пород при строительстве сопряжений стволов с выработками околостиольного двора//Научно-технические) проблемы строительства и охрани горных выработок: Сб. науч . тр. Новочерк. гос. техн. ун-т.- Ноьочеркасск, 1996. - С. III-II4.

26. ХямяляЯнеч В.А., Бурков Ю.В., Сыркин П.С. Формирование цементavwcHHvx завес вокруг капитальных горных выработок. - М.: Недра, 1994. - 400 с. •

27. Хямяляйнен Е.А., Прсстов С.М., Сыркин П.С. Геоэлектрй-ческий контроль разрушения и инъекционного упрочнения горных пород. - М.: Недра, 1996. - 2ВЭ с.

28. A.c. 1460230, !Ш3 Б ¿1 Д I/I6. Способ тампонирования горных пород / В.А.Хямяляйнен, Е.Г.Макаров, С.М.Простов, П.С. Сыркин (СССР). - !,' 4271651/23-03; Заяв. 30.06.87; Опубл. 23.02.69 Бпл. V» 7. - С. 155.

29. А.е. I4932S5 СССР, МНИ3 Е 21 Д 1/16. Cnocoi создания противо^ильтрациончэй заьчсч1 веотикальчой выработки / В.А.Хямяляйнен, Б.В.Дьяков, 0.И.Чернов, А.И.Петров, П.С.Сыркин (СССР). -

№ 4279979/23-03; Заяв- 07.07.67; Опубл. 30.Сб.89, Бпл. * 24. -' С. 152.

30. A.c. I53Z7I4 СССР, МНИ3 Е 21 Д И/Ю. Способ упрочнения горных пород / В.А.Хомяллйнен, С.М.Простоя, П.С.Сыркин, Е.Я.Макаров (СССР). - № 4272288/23-03; Заяв. 30.06.87; Опубл. 30.12.89 Бпл. № 48. - С. 191.

31. A.c. 1555493 СССР,- !Ш3 Е 21 Д I/I6, Е 21 В 33/12. Способ цементации горных пород / А.В.Угляница, В.А.Хямяляйнен, Ю.В.Бурков, А.И.Петров, П.С.Сыркин (СССР). - J« 4330727/23-03; Заяо. 23.11.87; Опубл. 07.04.90, Бгол. № 13. - С. 154.

32. A.c. 1580016 СССР, !Ш3 Е 21 Д И/Ю. Инвентарная опалубка для заполнения пространства за крепыо / Ю.В.Бурков, В.А.

Жеребцов, П.С.Сътркин, Г.И.Комаров, Г.П.Олендер, С.А.Фирсов (СССР) - № 4392332/23-03; Зэлв. 15.06.80; Опубл. 23.07.90, Бюл. № 27. -С. 127.

33. A.c. 1694912 СССР, МНИ3 Е 21 Д II/ГО, Е 21 С 39/00. Способ оценки качества упрочненных горных пород скрепляющими растворами / С.М.Простов, В.А.Хямяляйнен, П.С.Сыркин, В.М.Удовиченко (СССР). - № 4717232/03; Заяв. 04.07.89; Опубл. 30.II.SI, Бюл. ?* 44. - С. 123.

34. A.c. 1807211 СССР, МКИа Е 21 Д II/IQ, I/I6. Способ там-' понировяния горных пород / В.А.Хямяляйнен,. С.М.Простов, П.С.Сыркин (СССР). - № 4917782/03; Заяв. II.03.91; Опубл. 07.04.93. Бюл. № 13. - С. 107.

(¿LßßvW

Заказ 150, тираж 100 экз. Печать офсетная. Объем 2,6 п.л. Формат 60x84 1/16. Типография АО "Кузниишахтострои". 650002, г.Кемерово, ул. Институтская, 1