автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Тампонаж периферийных зон тектонических нарушений бентонито-цементными растворами при проведении протяженных горных выработок

Введение.

Глава 1. Современное состояние методов борьбы с водопритоками при сооружении протяжённых горных выработок в тектонических нарушениях.

1.1. Анализ существующих методов водоизоляции тектонических нарушений.

1.2. Анализ методов получения исходных данных о параметрах тектонического нарушения.

1.3. Анализ методов определения параметров формирования изоляционных завес в тектоническом нарушении вокруг протяжённых выработок.

Выводы.

Глава 2. Аналитические исследования процесса формирования водоизоляционных завес в трещиноватых зонах тектонических нарушениях при проведении протяжённых горных выработок.

2.1. Исследование процесса течения вязкопластичного тампонажного раствора в водоносных трещиноватых породах тектонического нарушения.

2.2. Исследование параметров формирования водоизоляционной завесы в трещиноватом массиве тектонического нарушения вокруг протяжённой горной выработки.

Выводы.

Глава 3. Экспериментальные тампонажных растворов вязкопластичных исследования для водоизоляции тектонических нарушений.

3.1. Цели и задачи исследований.

3.2. Планирование эксперимента.

3.3. Экспериментальные исследования свойств бентонито-цементных тампонажных растворов.

3.4. Экспериментальные исследования реологических характеристик разработанного тампонажного раствора.

Выводы.

Глава 4. Экспериментальные исследования процесса водоизоляции трещиноватых пород тектонического нарушения вокруг протяжённых выработок бентонито-цементными растворами.

4.1. Цели и задачи исследований.,

4.2. Разработка экспериментального стенда для исследований процесса формирования изоляционных завес в трещиноватых зонах тектонических нарушений.

4.3. Моделирование трещиноватой зоны тектонического нарушения.

4.4. Методика экспериментальных исследований процесса формирования водоизоляционных завес в трещиноватых зонах тектонических нарушений.

Выводы.

Глава 5. Промышленный тампонаж трещиноватых зон тектонических нарушений при проведении протяжённых горных выработок и техникоэкономические показатели.

5.1. Водоизоляция тектонического нарушения при проведении грузовой ветви околоствольного двора гор. 650 м шахты-новостройки

Обуховская1.

5.2. Методика проектирования водоизоляционных завес в периферийных зонах тектонических нарушений.

5.3. Технико-экономические показатели водоизоляции тектонического нарушения при проведении грузовой ветви околоствольного двора гор. 650 м шахты-новостройки Обуховская — 1.

Выводы.

Строительство протяжённых горных выработок в современных условиях нередко сдерживается трудностью их проведения в сложных инженерно-геологических условиях. Последнее связано с тем, что до 40% сооружаемых вскрывающих, подготовительных и капитальных выработок подсекают интенсивно трещиноватые водоносные горизонты и обводнённые тектонические нарушения (сбросы, сдвиги, надвиги). Тектонические нарушения часто представлены чередующимися трещиноватыми обводнёнными предразломными зонами, неустойчивыми интервалами раздробленных пород и заразломными трещиноватыми зонами /1/. Сооружение протяжённых выработок в таких зонах на действующих шахтах позволит получить доступ к забалансовым запасам.

Актуальность работы. Проведение выработок через тектонические нарушения без применения надёжных специальных способов сопровождается внезапными прорывами напорных вод, выносом в выработку раздробленной горной массы, прекращением проходческих работ на срок, необходимый для ликвидации аварии и её последствий. В связи с этим проблема ликвидации водопритоков при строительстве протяжённых горных выработок в тектонических нарушениях актуальна. Для обеспечения безопасной проходки протяжённых выработок в сложных гидрогеологических и горногеологических условиях, связанных с тектоническими нарушениями, в современном подземном строительстве применяют различные специальные способы проходки, включая и предварительный тампонаж обводнённых горных пород. Для водоизоляции трещиноватых породных массивов в последние годы широко применяют глиноцементные растворы, являющиеся неотъемлемой частью Комплексного метода тампонажа обводнённых горных пород, разработанного в ГОАО Спецтампонажгеология под руководством доктора технических наук, профессора Э.Я.Кипко. Начиная с 1969 года, Объединением Спецтампонажгеология успешно выполнила тампонажные работы по своему методу на 400 разномасштабных объектах в странах СНГ, Восточной Европы, США и Юго-Восточной Азии.

Настоящая диссертационная работа посвящена дальнейшему совершенствованию комплексного метода тампонажа при проведении протяжённых выработок в периферийных зонах тектонических нарушений.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР по проблеме 53.770,98. "Рациональные методы и средства разработки и использования природных ресурсов, охраны труда и окружающей среды" (комплексная научно-техническая программа кафедры СПСиШ ШИ НГТУ), научно-технической комплексной программе "Уголь", по теме: "Разработать научные основы эффективных и безопасных методов и средств доразведки и отработки месторождений полезных ископаемых" (код темы 52.35.92).

Цель работы. Совершенствование технологии тампонажа периферийных зон тектонических нарушений при проведении протяжённых горных выработок.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) подобрать рецептуру тампонажного раствора с пониженной плотностью для водоизоляции трещиноватых зон тектонических нарушений;

2) установить закономерности течения бентонито-цементного тампонажного раствора в граничной трещине на контакте с проницаемыми породами тектонического нарушения;

3) разработать методику проектирования параметров формирования водоизоляционных завес в периферийных зонах тектонического нарушения.

Идея работы. Применение бентонито-цементных растворов с пониженной плотностью для эффективного тампонажа зон нарушений при проходке протяжённых выработок.

Метод исследования - комплексный, включающий системный анализ и обобщение фактического материала и данных научно-технической литературы в области проведения протяжённых выработок в сложных горногеологических и гидрогеологических условиях, моделирование процесса тампонажа на эквивалентных материалах, технико-экономический анализ и опытно-промышленную проверку результатов исследований. Расчёты выполнялись с использованием современного программного обеспечения Mathcad-8.1 Professional, Microsoft Excel-97 к IBM PC.

Научные положения, разработанные лично автором, и их новизна:

1) установлено, что бентонито-цементные растворы могут эффективно использоваться для тампонажа периферийных водоносных зон тектонических нарушений;

2) установлено, что величина радиуса распространения тампонажного раствора в трещиноватой зоне тектонического нарушения зависит от структурной вязкости, динамического напряжения сдвига и плотности тампонажного раствора, коэффициента проницаемости пород, перепада давления нагнетания, величины раскрытия граничной трещины и ориентации нарушения в пространстве;

3) разработаны методические основы проектирования параметров тампонажа бентонито-цементными растворами периферийных зон тектонических нарушений при проведении протяжённых выработок.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается статистическим анализом данных с использованием современного программного обеспечения, применением математического и физического моделирования, результатами производственного внедрения новых технических решений.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей формирования водоизоляционной завесы вокруг протяжённой горной выработки пересекающей тектоническое нарушение в зависимости от коэффициента проницаемости и пространственных характеристик тектонического нарушения с учётом повышенной проникающей способности разработанного бентонито-цементного тампонажного раствора.

Практическое значение работы заключается в:

1) разработке методических основ проектирования параметров формирования водоизоляционных завес в периферийных зонах тектонических нарушений, обеспечивающих снижение водопритока до нормативной величины;

2) разработке рецептуры бентонито-цементного тампонажного раствора с пониженной плотностью, который может быть использован для тампонажа трещин в сложных горно-геологических условиях.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Опытно-промышленная проверка основных положений диссертации проводилась при сооружении грузовой ветви околоствольного двора гор.650 м шахты-новостойки Обуховская №1 в зоне разрывного обводнённого тектонического нарушения. Экономический эффект от внедрения составил 37,33 тыс. рублей в ценах 1998 года.

Апробация работы. Содержания и отдельные положения диссертации обсуждены и одобрены на XLV, XLVI, XLVII, XLVTQ научных конференциях Новочеркасского государственного технического университета (г.Шахты, 1996-1999 гг.), научно-производственной конференции компании "Росуголь" и АО "Ростовшахтострой" "Прохождение вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок при строительстве новых шахт" (г.Шахты, 12-14 июня 1997 г.), научной конференции АО "Ростовуголь" "Научно-технические проблемы разработки твёрдых полезных ископаемых юга

России" (2-3 июля 1998 г.), Международной научно-производственной конференции "Горная промышленность и наука в конце третьего тысячелетия" (г.Алчевск 21-23 апреля 1999 г.), научных семинарах кафедры Строительства подземных сооружений и шахт Шахтинского института Новочеркасского государственного технического университета (НПИ) в 1995-1999 годах.

Публикации: автором опубликовано 9 печатных работ, в том числе 6 по теме диссертации.

Структура и объём работы: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и десяти приложений, содержит 138 страниц машинописного текста, 24 рисунка, 22 таблицы, список использованной литературы из 86 наименований в том числе на 3 иностранных языках.

Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что величина радиуса распространения тампонажного раствора в трещиноватой зоне тектонического нарушения зависит от структурной вязкости, динамического напряжения сдвига и плотности тампонажного раствора, коэффициента проницаемости пород, перепада давления нагнетания, величины раскрытия граничной трещины и её угла наклона.

2. В результате аналитических и экспериментальных исследований разработана рецептура бентонито-цементного тампонажного раствора с пониженной плотностью и вязкостью, обеспечивающая надёжную водоизоляцию периферийной зоны с учётом влияния граничной трещины.

3. Физическое моделирование процесса распространения бентонито-цементного тампонажного раствора в периферийной зоне тектонического нарушения и граничной трещине подтвердило правильность теоретических исследований и полученной зависимости для определения радиуса распространения бентонито-цементного тампонажного раствора.

Логическим завершением научно-исследовательской работы является разработка методики проектирования параметров формирования бенонито-цементной завесы в периферийных зонах тектонических нарушений при проведении протяжённых горных выработок.

4. Разработанная методика и технология формирования изоляционных завес позволила усовершенствовать технологическую схему ведения тампонажных работ, при которой приготовление и нагнетание бетнонито-цементного раствора с пониженной плотностью осуществляется из забоя выработки.

5. Использование результатов выполненной работы только на одном участке строительства грузовой ветки околоствольного двора гор.650 м. шахты-новостойки Обуховская №1 в зоне разрывного обводнённого тектонического нарушения позволило получить экономический эффект 37,33 тыс. рублей в ценах 1998 года, который достигается за счёт снижения затрат на тампонажный раствор, на доставку тампонажного оборудования, на эксплуатацию глиностанции, на нагнетание раствора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Строительство горных предприятий, а также их реконструкция в современных условиях связана с проведением протяжённых горных выработок через тектонические нарушения, что связано со значительным увеличением стоимости проведения данных выработок. Совершенствование технологии тампонажа периферийных зон тектонических нарушений при проведении протяжённых горных выработок, направленное на снижение стоимости водоизоляционных работ является актуальной задачей шахтного строительства.

Выполненная диссертационная работа содержит новое решение этой задачи, суть которого заключается в использовании бентонито-цементных растворов пониженной плотности для водоизоляции предразломных и заразломных трещиноватых зон обводнённых тектонических нарушений.

1. Горная энциклопедия. -М.: Т.4. -С. 232.

2. Вахрамеев И.И. Теоретические основы тампонажа горных пород. -М.: Недра. 1968. -291 с.

3. Маньковский Г.И. Специальные способы проходки горных выработок . М.: Углетехиздат. 1958. -328 с.

4. Ломизе Г.М. Фильтрация в трещиноватых породах. -М.: Госэнергоиздат. 1951. -254 с.

5. Трупак Н.Г. Цементация трещиноватых пород в горном деле.-М.:Металлургиздат. 1951.-421 с.

6. Трупак Н.Г. Специальные способы проведения горных выработок. -М.: Недра. 1976. 376 с.

7. Комплексный метод тампонажа при строительстве шахт. Э.Я.Кипко, Ю.А.Полозов, О.Ю.Лушникова и др. М.: Недра, 1984. -280 с.

8. Тампонаж обводнённых пород: Справочное пособие. Э.Я.Кипко, Ю.АЛолозов, Ю.Н.Спичак и др.- М.: Недра. 1989. -318 с.

9. Максимов А.П., Евтушенко В.В. Тампонаж горных пород. -М.: Недра. 1978. 180 с.

10. Спичак Ю.Н. Методика проектирования работ при сооружении протяжённых выработок неглубокого заложения. // Научно-технические проблемы строительства и охраны горных выработок. Сб. науч. тр. //Новочеркасск.: НГТУ. 1996. С. 107-111.

11. Камбефор А. Инъекция грунтов. -М.: Энергия., 1971,-333 с.

12. Болотских Н.С., Гальченко ПЛ., Панькин В.А. Проведение горизонтальных и наклонных выработок специальными способами. -М.: Недра, 1975. 166 с.

13. Айтматов И.Т., Кравцов Б.И.,Половов Б.Д. Тампонирование обводнённых горных пород в шахтном строительстве. —М.: Недра. 1972.-182 с.

14. Технология строительства горных предприятий. Специальные способы строительства горных выработок. И.Д Насонов, В.А.Федюкин, Щуплик М.Н и др. М.: Недра. 1990. - 340 с

15. Насонов И.Д. Шуплик М.Н. Ресин В.И. Технология строительства горных предприятий. Специальные способы строительства. -М.-.Недра. 1990. 312 с.

16. Дорман Я.А. Специальные способы работ при строительстве метрополитенов. -М.: Транспорт. 1981. -366 с.

17. Маковский Л.В. Городские подземные транспортные сооружения. М.: Стройиздат,1985. -242 с.

18. Беляев В.Ф., Пястолов А.В. Механические и физико-химические способы укрепления горных пород,- М. Недра. 1967. — 248 с.

19. Гринбаум И.И. Геофизические методы определения фильтрационных свойств горных пород. -М.: Недра. 1965. 188 с.

20. Хямяляйнен В.А., Митраков В.И., Сыркин П.С. Физико-химическое укрепление пород при сооружении выработок. -М.: Недра. 1996.-352 с.

21. Хямяляйнен В.А., Бурков Ю.В., Сыркин П.С Формирование цеметационных завес вокруг капитальных горных выработок. -М.: Недра. 1994. --400 с.

22. Хямяляйнен В.А., Простое С.М., Сыркин П.С. Геоэлектрический контроль разрушения и инъекционного упрочнения горных пород. -М.: Недра. 1996.-288 с.

23. Поляков Н.М. Чижиков Н.И. Проведение горных выработок специальными способами. -М.: Недра. 1962. 374 с.

24. Заславский Ю.З., Дружко Е.Б. Новые виды крепи. -М.: Недра. 1989 .-112 с.

25. Заславский Ю.З., Лопухин Б.А., Дружко Е.Б. Инъекционное укрепление горных пород. — М.: Недра. 1984. -238 с.

26. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в породных массивах. М.: Недра. 1986. -254 с.

27. Литвинский Г.Г Монолитная оболочка выработки из разгруженных и упрочнённых пород. // Шахтное строительство.-! 981. -№12. -С. 17-20.

28. Ерофеев Л.М., Мирошникова Л.А. Повышение надёжности крепи горных выработок. -М.: Недра. 1988. -330 с.

29. Логачёв Н.Т., Фролов И.Н., Шилин A.A. Цементация горных пород в шахтном строительстве. -М.: Недра. 1995.-285 с.

30. Андерсон Д.Г., Тригг К.Ф. Интересные случаи из практики инженерной геологии. -М.: Недра, -224 с.

31. Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики: Тр. между народ, конф. -ВНИМИСПб, 1996.-338с.

32. Научно-технические проблемы строительства вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок: Сб.науч.тр.Новочеркасск.1998-256 с.

33. Спичак Ю.Н. Фильтрационное уплотнение неустойчивых раздробленных пород тектонических нарушений при проходке подземных выработок. / Шахтное строительство / 1988 №12 -С. 17-21.

34. Латышев В. А. Расчёт обделок туннелей произвольного поперечного сечения на давление раствора, нагнетаемого за обделку при цементации пород. Механика подземных сооружений. Сборник научных трудов. Тула: Изд-во ТГТУ 1994 С.71-81.

35. Временная инструкция по тампонажу трещиноватых горных пород комплексным методом при сооружении стволов шахт. Э.Я Кипко, Ю.А.Полозов, О.Ю.Лушникова и др. -М.:Минуглепром 1978 -88 с.

36. Спичак Ю.Н. Экспериментальные исследования процесса упрочнения неустойчивых грунтов при их обжатии под давлением глиноцементными тампонажными растворами. /Депонированные научные работы. (Естественные и точные науки. Техника) -1988 №12 -С. 157.

37. Нормы технологического проектирования угольных шахт. Раздел: Предварительное подавление водопритоков при проходке шахтных стволов методом тампонажа горных пород. Э.Я.Кипко, В.А.Лагунов, Ю.А.Полозов, П.Я.Уманский и др. -М.:Минуглепром 1976. 44 с.

38. Мироненко В.А. Шестаков В.М. Основы гидрогеомеханики. -М.:Недра. 1974. -296 с.

39. Спичак Ю.Н. Новая методика расчёта процесса упрочнения и тампонажа обводнённых тектонических нарушений при проходке подземных выработок. /Шахтное строительство /1988 №10 -С. 18-20.

40. Дуда Е.Г., Хямяляйнен В.А. Определение критической скорости движения нестабильных цементационных суспензий в трещинах горных пород. Труды КузНИИшахтостроя, вып. 15. Кемерово. 1976. -С.5-10.

41. Керкис Е.Е. Методы изучения фильтрационных свойств горных пород. М.гНедра 1975, -231 с.

42. Мовсумов A.A. Гидродинамические основы совершенствования технологии проводки глубоких скважин. -М.:Недра, 1976. -124 с.

43. Попов И.В. Дифференциальные уравнения движения вязкопластичных тел переменной массы. Межвуз.науч.тематич.сб. Вып.5 -Свердловск.: СГИ 1981 -104 с.

44. Математический энциклопедический словарь.

45. Очков В. Mathcad 7: что нового ? // Компьютер пресс. 1997. - № 8.-С. 114-120.

46. Адлер Ю.П., Маркова Е.В. Гракоский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий -М. :Наука. 1971. -183с.

47. Налимов В.В. Теория эксперимета. -М.: Наука 1971. -208с.

48. Горский В.Г., Адлер Ю.П., Талалай А.М. Планирование промышленных экспериментов. -М.: Наука 1976. -112 с.

49. Методы математического моделирования подземных сооружений. М.В.Курленя, В.Е.Миренков. Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1994.-188с.

50. Зедгинидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. -М.: Наука. 1976. -390с

51. Дуда Е.Г., Хямяляйнен В.А. К определению радиуса распространения цементационных суспензий в трещиноватых средах. Труды КузНИИшахтостроя, вып. 13. Кемерово. 1975.-С. 8-12.

52. Насонов И.Д., Шуллик М.Н., Королёв И.О. Лабораторный практикум по моделированию и специальным способам строительства подземных сооружений и шахт. -М. ".Недра. 1992. -248с.

53. Бентониты. Сборник научных трудов. -М.:Наука. 1980 -288с.58. Горная энц. Бентониты т1

54. Бентонитовые глины и облагораживание фотографических желатин. Куглицкий Н.Н.Кирсанов Н.В. и др. -Казань. .Татарское книжное издательство. 1973 -136 с.

55. Бентонитовые глины Чехословакии и Украины. Сб. науч. тр. -Киев .:Наукова думка, 1966. -202 с.

56. Данюшевский B.C., Алиев P.M., Толстых Е.Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. -М.:Недра. 1987. -373с.

57. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MathCAD 7.0 в математике, физике и в Internet. -М.: Нолидж, 1998. -352 с.

58. Адлер Ю.П., Маркова Е.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. -М.: Наука, 1971. -283 с.

59. Налимов В.В. Теория эксперимента. -М.:Наука, 1971. -208 с.

60. Горский В.Г., Адлер Ю.П. Талалай A.M. Планирование промышленных экспериментов. -М.: Металлургия. 1978. —112 с.

61. Зедгинидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. -М.: Наука, 1976. -390 с.

62. Бондарь А.Г., Стаюха Г.А., Потяженко И.А. Планирование эксперимента при оптимизации процессов химической технологии. Киев.:1. Вища школа, 1985. -267 с.

63. Ахназарова С.А., Кафаров В.В. Методы оптимизации процессов в химической технологии. -М.: Высшая школа, 1985. -326 с.

64. Евдокимов К).А., Колесников В.И., Тетерин А.И. Планирование и анализ эксперимента при решении задач трения и износа. -М.: Наука, 1980. -228 с.

65. Насонов И.Д., Шуплик М.Н., Королёв И.О. Лабораторный практикум по моделированию и специальным способам строительства подземных сооружений и шахт. -М.: Недра, 1992.-248 с.

66. Соколовский В.В. Теория пластичности. -М.: Высшая школа, 1969,-608 с.

67. Румшинский Л.Е. Математическая обработка результатов эксперимента. -М.: Наука, 1971. 192 с.

68. Елисеева И.И., Юзбашев М.М. Общая теория статистики: Учебник. Под ред. Чл-корр. РАН И.И. Елисеевой. -М.: Финансы и статистика, 1995.-368 с.

69. Калмыков Е.П. Борьба с внезапными прорывами воды в горные выработки. -М.:Недра. 1973, -236 с.

70. Кипко Э.Я., Соболев Е.Г., Савченко О.В. О предотвращении экологического ущерба при мокрой консервации шахт // Уголь Украины. -1997. -N10. -С.34-35.

71. Малышев М.В. Прочность грунтов и устойчивость оснований сооружений. М.: Стройиздат, 1994. -232 с.

72. Мартынов Ю.И. Управление деформированием подрабатываемого массива горных пород глубокими щелями. М.: Недра, 1995. -314 с.

73. Мирзаев Г.Г., Иванов Б.А., Щербаков В.М. и др. Экология горного производства: Учебник для вузов. М.: Недра, 1992. -254 с.

74. Ржевский В.В. Физика горных пород. М.:Недра, 1984.-359с.

75. Справочник инженера-шахтостроителя. Том 2. -М.: Недра, 1983,423 с.

76. Строительство подземных сооружений: Справочное пособие. Под ред. М.Н.Шуплика. -М.:Недра. 1989.-384 с.

77. Строительство тоннелей и метрополитенов. Под ред. Д.М.Голицинского. -М.: Транспорт, 1989,-365с.

78. Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики: Труды международной конференции ВНИМИ.СПб,1996.-338с.

79. Тютюник П.М. Геоакустический контроль процессов замораживания и тампонирования пород. М.:Недра, 1994.-234с.

80. Феофанов А Н. Старые горные выработки // Уголь Украины. -1994.-N12.-С.34-36.

81. Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства. И.Д. Насонов, В.А. Федюкин, М.Н. Шуилик, и др. -М.: Недра, 1992. -351 с.

82. Кипко Э.Я. Комплексный метод тампонажа обводнённых горных пород при сооружении шахтных стволов. Новочеркасск.: Межвузовский сборник. -1997.-С.106-109.

83. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. -М.: Недра 1995. -398 с.