автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка технологии ограничения притоков подземных вод в горные выработки угольных месторождений Кузбасса с использованием гелеобразующих составов

ВЛАСОВ НИКОЛАЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

Р Г Б ОД

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОГРАНИЧЕНИЯ ПРИТОКОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КУЗБАССА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕЛЕОБРАЗУЮЩИХ СОСТАВОВ

Специальность: 05.15.02 - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 1996

Работа выполнена на шахте "Западная" АООТ "Беловоуголь".

Научный руководитель: доктор технических наук,

Хохлов И.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Егоров П.В.

кандидат технических наук, Заостровский А.Н.

Ведущая органицация - Акционерное общество открытого типа

"Северокузбассуголь"

Защита диссертации состоится декабря 1996 г. в ^часов на заседании диссертационного совета Д 003.57.01 при Институте угля Сибирского отделения Российской академии наук (650025, г. Кемерово, ул. Рукавишникова, 21, конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института. Автореферат разослан ноября 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук,

профессор Б.В. Власенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Кузнецкий угольный бассейн является основной топливно-энергетической базой России. Угольные пласты месторождеш1Й бассейна залегают в основном в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях, разбиты геологическими нарушениями. Территорию месторождений пересекают множество рек, ручьев, обводненных балок, болот и других водных объектов.

Под водными объектами во избежание прорывов воды в горные выработки шахт и их затопления оставляют большие по размерам и запасам предохранительные целики, которые увеличивают потери угля, нарушают нормальное ведение горных работ, вызывают необходимость проходки разрезных печей, оконтуривающих выработок, частого перемонтажа технологического оборудования, увеличивают протяженность поддерживаемых выработок и ухудшают вентиляцию. Запасы угля в целиках превышают 1 млрд. т. Это в основном вскрытые запасы. Расположены они на малой глубине от земной поверхности, где слабо проявляется горное давление, отсутствуют газодинамические проявления.

Отработка только части этих запасов позволит повысить фондоотдачу основных средств, снизить потери угля в недрах, продлить срок службы многих шахт и горизонтов без снижения добычи и улучшить технико-экономические показатели работы горных предприятий.

Разработка угольных месторождений в обводненных породах связана с увеличением притоков воды в выработки, ухудшением несущей способности почвы и устойчивости кроачи, ухудшением санитарно-гигиенических условий работы горняков. В Кузбассе на пологих пластах мощностью 1,5-2 м при притоках воды в лаву 15-20 м 3/4 производительность механизированных комплексов снижается до 80 %.

На угольных разрезах из-за обводненности взрывные скважины в процессе бурения заполняются водой, поэтому закладываемые в них В В разлагаются, снижается эффективность взрывных работ. Водоустойчивые ВВ дефицитны, в три раза дороже водонеустойчивых. Применение их ведет к удорожанию добытого угля. К тому же мокрый уголь при транспортировке в железнодорожных вагонах при отрицательной температуре наружного возду-

ха смерзается, возникают трудности с его выгрузкой. На разрезах в водоносных породах происходят оползни, которые нередко ведут к катастрофическим последствиям.

В отечественной и зарубежной практике пока нет достаточно эффективных технологий разработки угольных пластов в обводненных породах.

В ИГД им. A.A. Скочинского д.т.н. И.В. Хохловым созданы геомеханические основы разработки обводненных угольных месторождений. В данной работе на их основе разработана экологически чистая технология ограничения притоков воды в горные выработки шахт, во взрывные скважины на угольных разрезах. Она базируется на использовании недефицитных, дешевых, нетоксичных гелеобразующих составов.

При этом актуальными научными задачами являются выбор способов и средств борьбы с подземными водами, исследование физико-механических и технологических свойств гелеобразующих растворов, исследование коллек-торских свойств горных пород и технологического взаимодействия пород и гелеобразующих растворов, разработка технологии и комплекса оборудования для нагнетания растворов в массив, установление технологических зависимостей, режимов и параметров. Необходимо также исследовать и разработать технологии создания противофильтрационных завес для защиты очистных и подготовительных выработок, скважин на открытых и подземных работах от водопритоков.

Результаты работы были получены автором в процессе выполнения совместных научных исследований ИГД им. A.A. Скочинского и ВостНИИ по планам НИР за 1989 - 1995 г.г.

Цель диссертации: разработать эффективную технологию снижения водопритоков в горные выработки посредством создания противофильтрационных завес в массиве пород.

Идея работы: использовать для ограничения водопритоков в горные выработки противофильтрационные завесы в слабопроницаемых породах, возводимые посредством нагнетания в массив коллоидных растворов.

Задачи исследований:

- на основании проведенного анализа выбрать способ ограждения горных выработок от подземных вод;

- определить физико-механические и технологические свойства химических растворов различных составов для создания противофильтрационных завес,

- установить фильтрационные свойства водоносных пород и зависимости фильтрации в них гелеобразующих растворов от технологических факторов;

- разработать метод расчета и определить оптимальные технологические параметры тампонажа массива горных пород гелеобразуюшими составами;

- разработать технологию нагнетания гелеобразующих составов в массив горных пород;

- разработать технологию ограничения притоков воды в горные выработки с использованием противофильтрационных завес.

Методы исследований предусматривали анализ литературных данных, проведение экспериментальных исследований, натурные испытания, статистическую обработку и интерпретацию полученных результатов, их теоретическое обобщение.

Для решения поставленных задач применялись методы:

- лабораторных исследований по определению динамической вязкости, сдвигающего напряжения, реологических показателей гелеобразующих составов, предела прочности на сжатие образцов, пластичности и размываемо-сти геля водой;

- лабораторных исследований технологических параметров: адгезионной способности, водопроницаемости, времени перехода в тпердопластичное состояние гелеобразующих составов;

- исследования на специальной установке коллекторских свойств горных пород и эффективности гелеобразующих растворов;

- комплекса геофизических измерений при натурных исследованиях фильтрационных свойств водоносных пород;

- шахтных экспериментов для установления технологических параметров и эффективности тампонирования массива.

Достоверность и обоснованность результатов диссертации подтверждаются:

- большим количеством экспериментально-аналитических исследований, выполненных с использованием стандартного аналитического оборудования;

- испытаниями гелеобразующих растворов в условиях научно-исследовательских и промышленных объектов;

- удовлетворительной сходимостью результатов натурных исследований с рассчитанными параметрами (относительная ошибка составляет 12-18 %).

Научные положения, выносимые на защиту:

- на локальных участках угольных месторождений и шахтных полей со средней и слабой водопроницаемостью эффективным, по сравнению с другими, является инъекционный способ создания противофильтрационных завес вокруг горных выработок;

- для создания противофильтрационных завес наиболее целесообразно использовать технологические растворы, представляющие коллоидные системы;

- необходимыми технологическими свойствами, обладают растворы на основе высокомолекулярного неорганического вещества с кислотными добавками;

- управление технологическими свойствами растворов, нагнетаемых в массив, осуществляется посредством технологического регулирования состава и концентрации входящих в них составляющих;

- коллекторские и фильтрационные свойства горных пород описываются моделью трещинно-пористой среды с системой блоков, разделяемых системами трещин и обладающей пористостью;

- одним из важнейших показателей эффективности тампонирования является дальность (радиус) растекания гелеобразующего раствора в массиве; она зависит от сочетания природных факторов (свойств и структуры массива пород), технологических свойств растворов и параметров технологии нагнетания;

- технология нагнетания тампонажных растворов в породный массив включает подбор составов с заданными технологическими свойствами, там-понажный комплекс для нагнетания растворов в массив и метод расчета технологических параметров тампонирования;

- технология ограждения горных выработок (очистных, подготовительных и скважин) включает схемы, способы и параметры создания противо-фильтрационных завес в водоносном слое в различных технологических ситуациях (вокруг очистных, подготовительных выработок и скважин).

Научная новизна работы заключается в том, что получены научные обоснования и разработана эффективная экологически чистая технология ограничения притоков воды в горные выработки шахт и взрывные скважины.

При выполнении работы:

- на основании анализа обоснован выбор для локальных участков месторождений и шахтных полей наиболее эффективной меры защиты горных выработок от обводнения в виде способа создания противофильтрационных завес;

- обосновано применение технологических растворов, представляющих собой коллоидные системы, для создания противофильтрационных завес в массиве горных пород;

- впервые по результатам экспериментальных исследований установлено, что наиболее эффективными растворами для создания противофильтрационных завес являются растворы, приготовленные на основе высокомолекулярного неорганического вещества с кислотными добавками, регулирующими время перехода раствора в твердопластичное состояние;

- впервые проведены натурные исследования фильтрационных свойств водоносных пород и установлена дальность растекания тампонажного раствора;

- научно обоснована технология приготовления тампонажного гелеоб-разующего раствора и предложен комплекс для его нагнетания в массив горных пород;

-впервые установлены технологические зависимости времени гелеобра-зования силикатного состава от концентрации наполнителя, вязкости силикатного раствора;

- разработана технология и определены ее параметры для ограничения притоков воды в горные выработки с использованием противофильтрационных завес.

Личный вклад автора состоит:

- в обосновании применения противофильтрационных завес как средства защиты от обводнения на локальных участках месторождений и шахтных полей;

- в обосновании выбора и использовании для создания противофильтрационных завес технологических растворов, представляющих собою коллоидные системы;

- в получении новых сведений о составе, физико-механических- и технологических свойствах инъекционных растворов на основе силиката натрия с кислотными добавками, регулирующими время перехода в твердопла-стичное состояние;

- в разработке метода расчета оптимальных технологических параметров тампонажа;

- в обосновании и разработке технологии применения гелеобразующих реагентов на основе хсидкого стекло для создания противофильтрационных завес в

породном массиве;

- в исследовании и установлении фильтрационных свойств водоносных горных пород в натурных условиях угольных шахт и разрезов;

- в разработке технологии ограничения притоков воды в очистные и подготовительные выработки, вентиляционные скважины угольных шахт, взрывные скважины угольных разрезов.

Практическое значение работы состоит в том, что результаты выполненных исследований позволяют:

- использовать на участках месторождений и шахтных полей с повышенной водоносностью для защиты горных выработок от обводнения инъекционный способ создания противофильтрационных завес;

- использовать в технологиях создания противофильтрационных завес

растворы на основе силиката натрия с инициирующей добавкой в виде кислой соли хлорида или сульфата аммония и пластификатора в виде полиакрила-мида;

- подбирать составы гелеобразующих технологических растворов для создания противофильтрационных завес с заданными свойствами и управлять технологическими режимами;

- осуществлять технологию приготовления тампонажных силикатных гелеобразующих растворов;

- использовать предложенный и испытанный в работе технологический комплекс для нагнетания растворов в тампонируемый массив пород;

- проводить предварительные технологические расчеты для определения оптимхтьных параметров тампонажа массива горных пород;

- применять и разрабатывать новые технологические схемы создания противофильтрационных завес в водоносном слое для защиты очистных и подготовительных выработок, вентиляционных скважин угольных шахт и разрезов.

Реализация результатов работы в промышленности. Основные результаты работы использованы в промышленности в виде технологии создания противофильтрационных завес; технологии защиты вентиляционных скважин; технологических рецептов гелеобразующих составов при создании противофильтрационных завес на шахтах "Пионерка", "Западная" АООТ "Беловоуголь", "Омсукчан-ская" и "Беринговская" АООТ "Северовостокугсль", "Аабайская" ПО "Караган-дауголь", на разрезе "Барзасский".

Апробация работы. Основные положения и результаты работы рассматривались в Центральном научно-исследовательском институте специального машиностроения (Хотьково, Московской обл., 1991), на научных семинарах в ИГД им. A.A. Скочинского (Люберцы, 1991 - 92), в ВостНИИ (Кемерово, 1991 - 94), КузГТУ (Кемерово, 1992, 1996), на НТС шахт "Пионерка", "Западная" (Белово, 1991 - 96), НТС АООТ "Северовостокутоль" (Магадан, 1992), на II Международной научно-практической конференции "Реформирование экономики региона: опыт, проблемы, перспективы" (Кемерово, 1996).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в монографии и в четырех научных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов, изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка , 17 таблиц, список литературы из 65 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТ

Многие угольные месторождения, в том числе Кузбасса, обводнены. Разработка их связана с поступлением воды в горные выработки. Это осложняет нормальный технологический процесс по добыче угля, создает некомфортные условия для трудящихся. Происходят подтопления добычного и транспортного оборудования, заштыбовка конвейерных линий, намокание угля, заиливание выработок, снижение устойчивости кровли, несущей способности почвы и, в конечном счете, удорожание стоимости добычи угля, снижение производительности труда, уменьшение добычи угля и нагрузки на очистной забой. Добытый и выданный на поверхность мокрый уголь при отрицательной температуре наружного воздуха смерзается. В целом проблема охраны горных выработок от обводнения является актуальной и сложной. Она рассматривается многими отечественными и зарубежными авторами Ю.В. Волковым, Н.Т. Фатеевым, B.C. Молчиловым, Г.Б. Добровольским, В.А. Мироненко, И.В. Хохловым, Ф.М. Бочевер, Dvorsky jiri, Harvey Olem и др.

В первой главе содержится обзор литературы, а также существующих методов защиты горных выработок от притоков подземных вод. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что для этого можно использовать замораживание и тампонаж обводненных пород.

Способ замораживания обводных горных пород является универсальным для водоизоляции горных выработок, проводимых в плывунах и в исключительно сложных гидрогеологических условиях с неустойчивыми породами. Он очень дорог, трудоемок и не продолжителен по времени действия. Поэтому для ограждения очистных и горноподготовительных выработок от воды он практически не используется.

При тампонировании обводненных пород в качестве вяжущих материалов используют цементы, глины, жидкое стекло, битумы, синтетические

смолы, а в качестве инертных заполнителей применяют песок, опилки, суглинки, супеси и др.

Применение того или иного вида тампонажного раствора определяется геологическими, гидрогеологическими условиями, его эффективностью, экологической целесообразностью, технической возможностью горного предприятия.

Эффективность тампонирования водоносных пород зависит от соотношения размеров частиц тампонажного материала и размеров трещин в породе. Оно должно быть не менее 1 к 3. При меньшем соотношении не удается достигнуть желаемого результата ни увеличением давления нагнетания, ни снижением вязкости тампонажного раствора.

В нашей стране и за рубежом для уменьшения притоков воды в выработки широко используют цементацию горных пород. Однако использование цементных растворов эффективно при проходке горных выработок в породах с большим раскрытием трещин. При малых раскрытиях трещин твердые частицы нагнетаемого твердого раствора отфильтровываются у входа в трещины и во внутрь их не попадают.

В настоящее время во г.тогих странах при проходке подготовительных выработок в относительно слабых, мелкозернистых и тонкотрещиноватых породах вокруг выработок создают толщу упрочненных пород. Упрочнение производят химическими способами.

На локальных участках месторождений и шахтных полей со средней и слабой проницаемостью эффективной мерой защиты горных выработок от обводнения является инъекционный способ создания противофильтрацион-ных завес (ПФЗ).

Способ создания ПФЗ состоит в том, что вокруг участка, защищаемого от притока воды, создают противофильтрационное ограждение (барраж) путем бурения скважин или шпуров и нагнетания по ним в водоносный слой химических составов. При этом завесы должны доводиться не только до почвы водоносного слоя, но и углубляться в нее на определенную глубину для обеспечения надежного контакта с подстилающими слабопроницаемым]! породами. В противном случае завесы не будут эффективными. За пределами завесы сохраняется естественный (или близкой к нему) режим

подземных вод. В силу этого ПФЗ рассматриваются как наиболее радикальное средство, позволяющее наряду с защитой горной выработки от обводнения оградить подземные воды от истощения и загрязнения и сохранить их естественный режим фильтрации. Таким образом, технология разработки обводненных угольных месторождений под защитой ПФЗ, возводимых из нетоксичных химических составов, является экологически чистой.

Проектирование фильтрационных завес должно базироваться на результатах тщательного изучения геологических и гидрогеологических условий участка, особенно тектоники, трещиноватости, проницаемости, физико-механических свойств пород, коэффициентов и скоростей фильтрации.

Вторая глава посвящена обоснованию, выбору и исследованию технологических свойств гелеобразующих составов, используемых для создания ПФЗ.

Исходя из анализа рассмотренных в предыдущей главе областей применения различных видов тампонажа и по результатам экспериментальных исследований установлено, что для создания противофильтрационных завес в слабопроницаемых породах наиболее целесообразно использовать химические растворы, представляющие собою коллоидные системы с частицами менее 1 мкм.

Установлено, что оптимальными химическими растворами для создания ПФЗ. являются растворы, разработанные в ИГД им. A.A. Скочинского при участии ВостНИИ. Они готовятся на основе высокомолекулярного неорганического вещества - силиката натрия (жидкого стекла) с кислотными добавками, регулирующими время перехода в твердопластичное состояние. В качестве добавки (инициатора) используется сульфат или хлорид аммония и пластификатор в виде полиакриламида. Такие растворы не токсичны, не дефицитны, дешевы.

Гель, образующийся в массиве горных пород от соединения этих компонентов, водоустойчив к щелочным и кислым подземным водам. Заполнив поры и трещины в водоносном слое, он является надежным препятствием поступлению подземных вод в горные выработки.

Процесс перехода (отверждения) тампонажного гелеобразуюшего раствора в структурированный гель управляем во времени.

а

Результаты экспериментов но регулируемости времени гелеобразова-ния показаны на рис. 1. Из рисунка видно, что используемая инициирующая добавка, в данном случае сульфат аммония, позволяет регулировать время гелеобразования от минут до часов. С увеличением концентрации силиката натрия возрастает расход инициатора, регулирующего время структурирования.

Рис.1. Зависимость времени гелеобразования силикатных систем от концентрации сульфата аммония:

1 - 5%-ный водный раствор силиката натрия +0,005% полиакриламида;

2 - 3%-ный водный раствор силиката натрия +0,005% полиакриламида

При нагнетании тампонажных гелеобразующих растворов в породы малой и средней проницаемости определяющей характеристикой является их вязкость, т. к. она формирует радиус распространения раствора в данной породе. Разработанные силикатные растворы представляют технологическую жидкость, по вязкости близкую к вязкости воды. Для (5 -10) % - ных водных силикатных гелеобразующих растворов с добавкой (1,5-4)% сульфата или хлорида аммония вязкость составляет (0,1 - 0,12) Па с, т. е. близка к вязкости воды. Введение же поверхностно-активной пластифицирующей добавки в виде полиакриламида малых концентраций существенно не влияет на процесс движения и самодвижения жидкости в порах и трещинах породы. Время перехода в структурированный гель при постоянной концентрации силиката натрия ^определяется содержанием кислой соли. Качественные изменения в структуре раствора, фиксируемые по изменению его вязкости, отмечаются по истечении 50 % полного времени гелеобразования, а резкое нарастание вязкости раствора будет наблюдаться через 75 % от времени отверждения. Так исходный раствор состава 5% МаЗЮ, + 1,4% N<21 + 0,05 ПАА имеет время гелеобразования 60 мин. Фиксируемые изменения в его вязкости начинаются через 30 мин. Это дает возможность выбирать со-

Г 120

9? X 100

£

1 80

<9 а ео

О 4) § 40

К 20

2

4) а 0

а

V \ 1

\ 2 \ /

К

ч

9 2,2 2,4 2,6 2,3 3,0 Концентрация сульфата аммония, %

став раствора с тем временем гелеобразования, которое потребуется для смешения составных компонентов и транспортирования их к месту назначения.

Процесс отверждения гелеобразующего раствора зависит от породы в которую проводится нагнетание, температуры среды и давления нагнетания, степени разбавления водой раствора в водонасыщенных породах.

Установлено, что изменение температуры в пределах 15 - 20°С существенно

не влияет на время гелеобразования. Однако при изменении температуры в ту или другую сторону наблюдается тенденция к некоторому его замедлению (при снижении температуры) или ускорению (при повышении температуры). Установлено также, что сравнительно небольшое изменение давления нагнетания тампонируемых растворов (до 1 МПа) также не оказывает заметного влияния на время их отверждения. Этот показатель более влияет на радиус распространения инъектируемого раствора.

Третья глава посвящена исследованию фильтрационных свойств водоносных пород и фильтрации гслеобразуюших растворов. Фильтрационные свойства горных пород являются важнейшими характеристиками, определяющими способ создания противофильтрационных завес и выбор химических составов. Особое значение приобретают достоверные сведения о коэффициенте и скорости фильтрации подземных вод, их гидравлическом напоре, притоке, удельном водопоглощении, коэффициенте проницаемости и трещиноватости.

При исследовании вопросов, связанных с разработкой обводненных угольных месторождений, отработан общий методический подход к проведению натурных исследований фильтрационных свойств горных пород.

Он включает геофизические методы при бурении скважин: каверно-метрию, стандартный электрический каротаж, бококаротажное зондирование (БКЗ), радиоактивный каротаж (АК), акустическое просвечивание между скважинами, диэлектрический каротаж, термометрию, расходометрию, резистивиметрию, применение опробователя пластов на кабеле и скважин-ного акустического телевизора.

В процессе бурения скважин производятся также следующие наблюдения и исследования: извлечение и описание керна, проведение механиче-

ского каротажа, наблюдение за наличием и интенсивностью ухода промывочной жидкости, а также за динамическим и статистическим уровнем жидкости в скважине. При описании керна основное внимание обращается на выявление и документацию характера трещиноватости: количество трещин, приходящихся на 1 м.

Результаты комплекса геофизических исследований скважин (ГИС) показывают, что возможности этих методов для изучения изменений фильтрационных свойств массива пород пока ограничены. С помощью ГИС не всегда удается определить показатели проницаемости коэффициента проницаемости (Кпр) и коэффициента фильтрации (Кф) отдельных литотипов пород, залегающих в кровле и в почве пласта на различном расстоянии от выработки, и проследить за их изменением на отдельных стадиях процесса сдвижения.

Для получения Кф, К„р различных литотипов пород в естественном

состоянии используют традиционные способы - поинтервальнне опробования скважин путем опытных откачек, нагнетания или наливов воды. Эти способы трудоемки. Проще и эффективнее подобные задачи решать в процессе бурения геолого-разведочных скважин через естественный и подработанный массивы пород с помощью опробователей пластов на кабеле.

Распространение тампонажного раствора в массиве пород осложняется противодействием газов, подземных вод и упругими свойствами пород.

Для математического решения задачи в качестве модели фильтрующей среды принимают трещинно-пористую. под которой понимается среда, представляющая собой систему блоков, разделенных монодисперсионной системой трещин со средним раскрытием и средней пористостью, характеризующей долю, которую пустоты занимают в массиве.

Коэффициент проницаемости массива Кпр характеризует его фильтрационные свойства, не зависящие от свойств нагнетаемого раствора. Он является величиной тензорной, определяется расстоянием от пробуренной скважины (шпура).

Установление дальности растекания тампонажного гелеобразующего раствора в массиве горных пород и конфигурации затампонированного пространства в плане и по высоте является одной из наиболее сложных и ответ-

ственных задач создания подземных водонепроницаемых завес вокруг горных выработок. Решение задачи осуществлялось экспериментальным путем.

Качество созданной водоизоляционной завесы обычно проверяют путем нагнетания воды в затампонированный водоносный слой. Дальность же растекания технологического раствора после его отверждения и прочность затампонированных пород определяют путем бурения скважин, отбора кернов и его лабораторного исследования.

Дальность распространения гелеобразующего состава в массиве пород определялась на участке № 1 разреза "Барзасский", который разрабатывает угольный пласт мощностью 5 м (рис. 2). Угол падения пласта 25°. Породы, покрывающие его, представлены преимущественно трещиноватыми песчаниками. В кровле пласта залегает тонкий слой аргиллита мощностью 0,5 м. Горные работы велись на глубине менее 80 м от земной поверхности, в зоне активного водообмена.

Рис. 2. Определение дальности растекания раствора в массиве пород: а - положение в плане; б - вертикальный разрез по линии 1-8;

1 - 13 - номер скважин; 14 - кромка уступа угольного разреза;

15 - угольный пласт

На площадке уступа было пробурено 13 скважин диаметром 160 мм, глубиной 2,62 -7,12 м. Скважины расположены по двум взаимно перпендикулярным линиям (по простиранию и вкрест простирания пласта). Расстояние между ними 5м. Длина уступа вдоль профильных линий соответственно

а

5

С

ю

превышает 40 и 30 м. Поэтому имелась возможность установить - растекается или нет вода с флюоресцентом на это или меньшее расстояние при нагнетании ее в наблюдательные скважины.

Вязкость гелеобразующего раствора близка к вязкости воды, поэтому в целях уменьшения расхода химических реагентов в скважины при двух ступенях давления (0,2 и 0,5 МПа) нагнетхчи воду, а не тампонажный гелеоб-разующий раствор. Последний нагнетали только при одной ступени давления 0,5 МПа.

В результате эксперимента установлено, что при данной высокой тре-щиноватости пород скорость фильтрации воды при давлении 0,5 МПа достигла 0,5 м/мин, а дальность растекания превышала 40 м. Однако судить о дальности растекания раствора в массиве пород по одному эксперименту, как бы тщательно он не был проведен, нельзя. Трещиноватость горных пород существенно изменяется даже в пределах выемочного участка, не говоря уже о шахтном поле или месторождении. Поэтому полученный показатель дальности растекания воды в трещиноватом массиве пород следует считать максимальным. В ненарушенных породах он будет значительно меньше.

В четвертой главе изложена технология тампонажа массива горных пород гслеобразующими составами, которая включает в себя процесс приготовления тампонажных растворов и комплекс для их нагнетания в массив пород.

Для приготоаления технологических тампонажных растворов обычно применяют концентрированный раствор, включающий жидкое стекло, сульфат аммония или хлористый аммоний, полиакриламид и воду. Жидкое стекло используют плотностью 1,3 т/м3. Сульфат аммония поступает потребителю в порошке.

Масса сульфата аммония или хлористого аммония для приготовления 1 мэ концентрированного раствора приведена в таблице.

Таблица

Время гелеобра-зования, мин Сульфат аммония (хлористый аммоний) Вода, м3 Плотность, т/м3

кг л

60 110 137 До 1 м3 1,032

120 110 125 До 1 м3 1,029

Порошкообразные реагенты засыпаются в емкость, заливаются водой и растворяются путем механического перемешивания. Добавка полиакрила-мида составляет около 0,01%. Для него отдельная емкость не требуется. Он засыпается в ту же емкость. После приготовления растворов проверяется время гелеобразования.

Если время гелеобразования больше требуемого для данных условий, то добавляют сульфат аммония (или хлористого аммония), в обратном случае добавляют воду. Комплекс нагнетания гелеобразующего раствора (КНГР) (разработан в ИГД им. A.A. Скочинского) с поверхности в тампонируемый массив пород включает емкости для воды 1-3 м3, жидкого стекла 1-3 м3, сульфата аммония или хлористого аммония, всасывающие патрубки, вентили, подпитывающий центробежный насос давлением, электродвигатель, напорные шланги на давление, высоконапорный насос на давление до 30 МПа, присоединительные патрубки, клапаны, тройники, герметизатор скважин на давление до 10 МПа. Установка КНГР монтируется на закрытом прицепе. Она снабжена подогревом, относительно компактна, может использоваться в любое время года.

При отсутствии установки КНГР нагнетание гелеобразующих растворов в

массив пород можно производить имеющимся на каждой шахте оборудованием: обычными напорными насосами с использованием шлангов высокого давления. Для этого требуется в мастерской изготовить тройник-смеситель, оборудовать его вентилями для регулирования равномерной подачи растворов жидкого стекла и силиката натрия в массив пород.

Оптимальные параметры тампонажа возможно определить расчетным

путем.

Для расчета времени гелеобразования получены множественные эмпирические регрессионные зависимости Тг от содержания в растворе компонентов С] и Сг'.

Тг= 160,6 + 11,2 С2 - 75,1/С,

Тг= 12,2 С2 + 459,9/С, +224,2

где: Тг- время гглеобразования, мин; С, - содержание в растворе сульфата аммония, %; С2 - содержание в растворе сульфата натрия, %.

Коэффициенты корреляции в обеих формулах (0,74 и 0,76) между собой близки и связь Тг с С, и С2 достаточно тесная.

Математическое моделирование и сравнение его результатов с натурными наблюдениями показывают, что для расчета предельного радиуса растекания раствора при малой его вязкости можно пользоваться формулами, предложенными Э. Маагом

У (3 • т • ц • V

где I - время нагнетания, с; т - коэффициент пористости; р - степень заполнения пор; ф = 111(3 - активная пористость; у0 - кинематическая вязкость воды; V - кинематическая вязкость тампонажного раствора; Кпр - коэффициент проницаемости, дарси (10~,2м2) и Т.С. Каранфиловым:

ч

0,64К„1-Р -V,

Р ■ 111 • Ц ■ V

для составов со средней вязкостью формулой Буссинеска:

(3)

I 2Р~ "Тг , (4)

1|-т-1„ --ц(Тг)

для составов с большой вязкостью упрощенной формулой:

Я= | ^ (5)

| ш ■ ц0 • Ъ ■

В пятой главе изложены особенности создания противофильтрацион-ных завес при проведении горных работ.

В очистных выработках противофильтрационные завесы возводят от динамических притоков подземных вод. Сущность способа создания проти-вофильтрационных завес состоит в том, что тампонируемый гелеобразую-щий раствор по скважинам нагнетают в водоносный слой, залегающий в кровле разрабатываемого угольного пласта, из которого возможно проник-

новение в выработку подземных вод по водопроводящим техногенным трещинам, с тем что бы оградить выработку от этих вод. Нагнетательные скважины располагают за пределами влияния горных работ, чтобы избежать их повреждения сдвигающимся над выработкой, массивом горных пород.

В зависимости от местоположения водоносного слоя нагнетательные скважины диаметром 45 - 110 мм бурят с земной поверхности или из горной выработки (рис. 3). Если водоносный слой залегает вблизи разрабатываемого угольного пласта, то экономически и технически целесообразно нагнетательные скважины или шпуры бурить из горной выработки, а в остальных случаях с поверхности.

Расстояние между скважинами принимается таким, при котором цилиндрические поверхности затампонированных пород водоносного слоя, образующиеся вокруг скважин, перекрываются между собою без образования "окон". Величина перекрытия принимается не менее 0,211 (где К - радиус растекания гелеобразующего раствора в массиве пород, м).

Чем больше расстояние между скважинами, тем больше расход гелеобразующего вещества. Если водоносный горизонт расположен на малом расстоянии от выработки и затраты на бурение скважин (шпуров) меньше, чем с поверхности, то расстояние между ними можно уменьшить до 10-30м. Это повлечет снижение затрат на приобретение тампонажного раствора.

При подаче тампонажного раствора в массив пород необходимо преодолеть напор пластовых вод. Поэтому нагнетание производится при давлении, в 3 - 5 раз превышающем пластовое. Оно считается законченным, если все поровое пространство в тампонируемой зоне заполнено.

Водоносные слои пород тампонируют отдельными ступенями-заходками. Величина их прежде всего определяется мощностью водоносного слоя. Наилучшие результаты получаются при длине заходки не более 7м.

Если бурение тампонажных скважин производится с земной поверхности, то возможны следующие технологические схемы тампонажа: сверху-вниз вслед за бурением, снизу-вверх после окончания бурения скважины на полную глубину и с использованием пакерующего устройства.

При нагнетании гелеобразующего раствора по схеме снизу - вверх отпадает необходимость в расчистке скважины от геля.

Рис. 3. Схема расположения скважин (шпуров) для нагнетания тампонаж-ных гелеобразующих растворов в массив пород при создании противофильтрационных завес: а - при бурении с поверхности (вертикнльньш разрез); б - то же, положение в плане; в - при бурении из горной выработки; 1 - угольный пласт; I1 - выход пласта под наносы; 2 - вентштрек; 3 - скважины; 4 - тампонируемый водоносный песчаник; пш - изолированный герметизаторами участок скважины, в который нагнетается раствор; 5 - примерные границы растекания раствора; 6 - русло реки; 7 - предохранительный целик для охраны реки; 8 -очистная выработка; Р0 - граничный угол со стороны восстания пласта

Под защитой противофильтрационных завес рационально проходить наклонные подготовительные выработки в слабо- и средневодопроницаемых породах. В этом случае нагнетание тампонажного раствора производится через шпуры, пробуренные из забоя выработки. Из-за большого радиуса растекания раствора число шпуров, пробуренных по контуру выработки и необходимых для создания завесы, не превышает 3-4. Нагнетательные шпуры имеют диаметр около 45 мм. Они должны быть по возможности более длинными, чем шпуры для буровзрывных работ (не менее 20 м). Бурение их осуществляется имеющимися на шахтах электросверлами. Расположение шпуров по контуру подготовительного забоя зависит от конкретных условий (местоположения водоносного слоя относительно подготовительной выработки, его мощности и простирания, характера и ориентировки трещин, дальности растекания химического раствора и т. д.).

При создании ПФЗ необходимо также учитывать, что завеса под напором подземных вод может сместиться на некоторую величину в сторону выработки. Величина смещения зависит от скорости фильтрации, напора подземных вод и времени гелеобразования. Она определяется экспериментальным путем.

Технологию создания ПФЗ можно применять для осушения бортов карьеров и ограшгчения притоков воды во взрывные скважины. Имеющимся на разрезе буровым станком бурят нагнетательную скважину, глубина скважины определяется местоположением водоносного слоя, залегающего в кровле угольного пласта. Она пересекает водоносный слой. В эту скважину под давлением нагнетают гелеобразующий раствор, который вытесняет природную воду, закупоривает поры и трещины. Чтобы нагнетательный раствор не выходил из скважины, ее герметизируют. Герметизатор устанавливают выше интервала нагнетания. Вокруг скважины после нагнетания образуются перекрывающие друг друга завесы, которые образуют сплошную стену. Конфигурация их может быть сложной, но близкой по форме к окружности.

Созданная противофильтрационная стенка явится надежной преградой на пути движения подземных вод. Этот способ можно использовать и для защиты вентиляционных скважин шахт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основании выполненных автором исследований процессов тампонирования массива горных пород научно обоснована и разработана технология ограничения водопритоков в горные выработки посредством создания противофильтрационных завес, имеющая важное значение для повышения эффективности разработки угольных месторождений Кузбасса.

Результаты исследований позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Разработка угольных пластов месторождений Кузбасса в ряде случаев затруднена повышенными притоками воды в горные выработки. Вследствие этого снижается эффективность процессов угледобычи. Для борьбы с повышенными водопритоками требуется научное обоснование и разработка специальных мер (технологий) защиты горных выработок. Эти технологии должны быть технически осуществимыми, экономически эффективными и экологически чистыми.

2. На локальных участках месторождений и шахтных полей со средней и слабой проницаемостью эффективной мерой защиты горных выработок от обводнения является инъекционный способ создания противофильтрационных завес с использованием нетоксичных химических составов.

3. Противофильтрационные завесы должны иметь достаточную мощность, углубляться в водоупорные породы, вмещающие водоносный слой, и надежно предохранять выработку от обводнения, а подземные воды от истощения.

4. По результатам экспериментальных исследований установлено, что для создания противофильтрационных завес в слабопроницаемых породах наиболее целесообразно использовать химические растворы, представляющие собою коллоидные системы с частицами менее 1 мкм. Оптимальные технологические растворы для создания ПФЗ готовятся на основе высокомолекулярного неорганического вещества силиката натрия (жидкого стекла) с кислотными добавками, регулирующими время перехода в твердопластичное состояние. В качестве добавки (инициатора) используется сульфат или хлорид аммония и пластификатор в виде поли-

акриламида.

5. Технологический процесс перехода (отверждения) тампонажного гелеоб-разующего раствора в структурированный гель управляем во времени и может продолжаться от нескольких минут до нескольких часов. Регулирование времени образования геля при постоянной концентрации силиката натрия производится путем изменения содержания кислой соли.

6. С увеличением в гелеобразующем составе содержания основного компонента (жидкого стекла) и уменьшением доли инициатора (хлорида или сульфата аммония) при постоянном содержании отвердителя (ПАА) время гелеобразования (загустевания) и текучесть увеличиваются, а прочность уменьшается в прямой зависимости.

7. По данным натурных испытаний, проведенных в трещиноватых песчаниках с коэффициентом пористости около 5%, дальность растекания силикатного гелеобразующего раствора с инициирующей добавкой в виде кислой соли сульфата аммония достигает 40 м. В более плотных породах радиус растекания раствора будет значительно меньше.

8. Дальность (радиус Я) растекания тампонажного гелеобразующего раствора в массиве пород зависит от давления нагнетания и вязкости раствора, а также от ширины раскрытия трещин, коэффициентов трещиноватости, проницаемости, шероховатости, извилистости, клиновидности трещин и др. Учесть их влияние в реальном массиве пород затруднительно, поэтому с определенным приближением можно пользоваться расчетными методами.

9. Установлены области применимости различных зависимостей для определения радиуса растекания, используемых в технологических расчетах. Математическое моделирование и сравнение его результатов с натурными наблюдениями показывают, что для расчета предельного радиуса растекания раствора при малой его вязкости можно пользоваться формулами, предложенными Э. Маагом (2) и Т.С. Каранфиловым (3), для составов со средней вязкостью - формулой Буссинеска (4), для составов с большой вязкостью - формулой (5).

10. Для ограждения очистных выработок противофильтрационные завесы в водоносном слое возводят через скважины диаметром 45 - 100 мм с зем-

ной поверхности или из горной выработки, учитывая процессы сдвижения подработанного массива. Расстояние между скважинами необходимо принимать, обеспечивая перекрытие затампонированных зон не менее 0,2R (где R - радиус растекания гелеобразующего раствора в массиве пород, м). Нагнетание раствора производится под давлением в 3 - 5 раз превышающем пластовое. Тампонирование должно проводиться ступенями-заходками длиной не более 7 м. Возможны технологические схемы тампонажа сверху-вниз или снизу-вверх.

11. Нагнетание тампонажного гелеобразующего раствора в массив пород при проходке подготовительных выработок можно производить через шпуры (скважины) диаметром 42 - 45 мм, пробуренные из забоя подготовительной выработки. Во избежание попадания нагнетаемого раствора в выработку герметизатар шпура целесообразно закреплять на расстоянии не менее 7 - 10 м от его устья и нагнетать раствор в участок скважины от забоя до герметизатора. В качестве нагнетательной установки можно использовать комплекс нагнетания смолы, разработанный в КузНИУИ, или НАГУС-212, разработанный в ИГД им. A.A. Скочинского.

12. Нагнетательные шпуры для большой результативности необходимо задавать примерно по нормали к простиранию трещин, по которым вода поступает в выработку.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Хавова В.И.. Власов H.A. О механизме тампонирующего действия силикатных гелеобразующих составов при создании противофильтрационных завес/Труды ВостНИИ//'Повышение безопасности труда при добыче ут-ля,- Кемерово,- 1990,- С. 74 - 80.

2. Хохлов И.В., Власов H.A. Защита вентиляционных скважин и шахтных стволов от подземных вод/Научно-технические достижения и передовой опыт в угольной промышленности.- М.: ЦНИЭИуголь.- Вып. 4.- 1990.- С. 12 - 17.

3. Хохлов И.В., Власов H.A., Паршуков Е.И. Разработка обводненных угольных месторождений Кузбасса,- М.: ЦНИЭИ.- 1992,- 210 с.

4. Власов Н.А. Технология ограничения притоков воды в подготовительные выработки. Информ. листок Кемеровского ЦНТИ № 310 - 96, 1996.- 2с.

5. Власов Н.А. Охрана подземных вод от истощения.//Тез. докл. II Международной научно-практической конференции "Реформирование экономики региона: опыт, проблемы, перспективы".- Кемерово.- 1996.-С. 72

Заказ^З . Тираж 100 экз. Печать офсетная. Формат 60x84/16. Объем I п.л. Типография Кузбасского государственного технического университета.

650026, Кемерово, ул.Красноармейская, 115.