автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Водоизоляция трещиноватых горных пород глиноцементными растворами при ликвидации остаточных водопритоков в вертикальные шахтные стволы

Министерство общего и профессионального образования

НОВОЧЕРКАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ШАХТИНСКИЙ ИНСТИТУТ

ВОДОИЗОЛЯЦИЯ ТРЕЩИНОВАТЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ГЛИНОЦЕМЕНТНЫМИ РАСТВОРАМИ ПРИ ЛИКВИДАЦИИ ОСТАТОЧНЫХ ВОДОПРИТОКОВ В ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ШАХТНЫЕ СТВОЛЫ

Специальность : 05.15.04 ''Строительство шахт и подземных

сооружений"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Российской Федерации

УДК 622.257.1

На правах рукописи

/

ОЗЕРИН АЛЕКСЕИ МИХАИЛОВИЧ

Научный руководитель -доктор технических наук , профессор , академик АГН и АС Украины , действитель -ный член Нью-Йоркской АН, Лауреат Государственной премии СССР

э. Я. кипко

Шахты - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ............................................................................. 5

Глава 1 Анализ современного состояния технологий водопо-давления при строительстве шахтных стволов и процесса формирования изоляционной завесы.............................. 11

1.1. Анализ методов борьбы с водопритоками в шахтном строительстве......................................................... 11

1.2. Реологические свойства и закономерности кинетики структурообразования глиноцемейтйых тампонажных растворов............................................................... 24

1.3. Анализ процесса течения раствора и формирование противофильтрационных завес в трещиноватых по -родах..................................................................... 34

Выводы . Цели и задачи диссертационной работы........................ 40

Глава 2 Аналитические исследования процесса течения и структуро образования вязкопластичной жидкости в трещиноватом массиве при формировании изоляционной завесы за контуром ствола............................................................... 42

2.1. Аналитические исследования процесса структурообразования глиноцементных растворов.................................... 42

2.2. Статистические методы построения математических моделей показателей свойств тампонажных раст -воров..................................................................... 49

2.3. Анализ процесса течения вязкопластичной жидкости с изменяющимися реологическими характеристиками......... 52

2.4. Исследование технологических параметров процесса формирования изоляционной завесы при ликвидации остаточного водопритока в вертикальный ствол............... 59

Выводы ............................................................................. 65

Глава 3 Экспериментальные исследования по разработке рецептуры тампонажного раствора и технологических параметров формирования противофильтрационной завесы.................................................................... 66

3.1. Разработка рецептуры и исследования свойств тампонажного раствора с управляемой реологией ............ 66

3.2. Экспериментальные исследования управляемого процесса течения тампонажного раствора в трещиноватой среде...................................................................... ВО

3.3. Анализ результатов экспериментальных исследований...... 99

Выводы ............................................................................. 105

Глава 4 Разработка методики проектирования и технологических схем ликвидации остаточных водопритоков в вертикальные стволы шахт............................................................ 106

4.1. Разработка методики проектирования технологических параметров ликвидации остаточных водопритоков в вертикальные стволы шахт........................................... 106

4.2. Разработка технологических схем ликвидации остаточных водопритоков в шахтные стволы................................... 124

4.3. Технология бурения скважин , приготовления и нагнетания тампонажного раствора при ликвидации остаточных

водопритоков............................................................ 132

Выводы ............................................................................. 136

Глава 5 Промышленное внедрение и технико-экономическая эффективность технологии ликвидации остаточных водопритоков в вертикальные стволы шахт.................... 138

5.1. Промышленные испытания технологии ликвидации остаточных водопритоков в клетьевом стволе шахты «Торецкая» ГХК «Дзержинскуголь»............................. 138

5.2. Ликвидация остаточного водопритока при сооружении вспомогательного ствола № 2 шахты « Юбилейная » ОАО «Роетовуголь»................................................. 148

5.3. Оценка технико-экономической эффективности технологии ликвидации остаточных водопритоков в вертикальные стволы.................................................................... 155

Выводы ........................................................................... 158

Заключение.......................................................................... 159

Литература........................................................................... 162

Приложение.......................................................................... 172

ВВЕДЕНИЕ

Развитие угольной промышленности России непосредственно связано со строительством новых и реконструкцией действующих стволов угольных шахт. При ведении горных работ к числу доминирующих факторов, осложняющих строительство и эксплуатацию шахт, относятся водопритоки в выработки. Анализ горногеологических условий строительства и эксплуатации шахт в Восточном Донбассе показывает, что остаточные водопритоки в вертикальные стволы из отдельных горизонтов составляют 10-25 м3/час, что значительно выше норм СНиПа и ведет к повышению себестоимости добычи угля.

Наличие остаточных водопритоков в стволах обуславливает целый ряд проблем : применение дорогостоящей тюбинговой крепи или сооружение улавливающих и водооткачивающих систем, требующих существенных затрат электроэнергии; происходит вымывание цементного камня из бетонной или железобетонной крепи ствола, что ведет к снижению несущей способности и срока эксплуатации крепи; под воздействием агрессивных шахтных вод повышается аварийность работ в стволе, происходит коррозия элементов армировки ствола; водопритоки в стволах понижают и без того низкие санитарные условия работы горняков, а откачанные высокоминерализованные жесткие шахтные воды оказывают экологически вредное воздействие на поверхность земли.

Остаточные водопритоки проявляются в стволах, где проходка осуществлялась без применения спецспособа водогюдавления или применяемый метод водоизоляции пород, по ряду причин не позволил получить необходимое снижение водопритока.

В практике шахтного и подземного строительства для ликвидации остаточных водопритоков в стволы наибольшее распространение получили специальные способы цементации и тампонажа, в редких случаях применяется химизация. Применяемые технологические схемы последующей цементации в стволах требуют значительных трудозатрат и

сроков по времени, что связано с большим объемом бурения и разбуривания тампонажных и разгрузочных скважин, а нагнетаемый цементный раствор под низким давлением имеет малый радиус распространения и вымывается напорными подземными водами.

Наиболее перспективным специальным способом ликвидации остаточных водопритоков в вертикальные стволы является комплексный метод тампонажа, основанный на применении экологически чистых глиноцементных растворов. Настоящая диссертационная работа посвящена дальнейшему развитию комплексного метода тампонажа для его успешного применения при ликвидации остаточных водопритоков в вертикальные стволы шахт на базе новых научных данных о процессе течейия вязкопластичного тампонажного раствора в трещиноватой среде и совершенствования технологических схем.

Исследования проводились в рамках научно-исследовательских работ, выполняемых ГОАО "Спецтампонажгеология" и Шахтинским институтом НГТУ.

Цель работы - разработать эффективную методику проектирования и технологию ликвидации остаточных водопритоков в вертикальные стволы шахт на основе изучения процесса течения глиноцементного тампонажного раствора с изменяющимися реологическими характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи :

1. Обосновать теоретически и подтвердить экспериментально математическую зависимость динамического напряжения сдвига тампонажного раствора от количества структурообразователя и времени течения раствора в трещиноватом массиве.

2. Получить аналитические зависимости, определяющие закономерность процесса распространения тампонажного раствора с переменными реологическими характеристиками в трещиноватой среде; выполнить экспериментальную проверку полученных зависимостей.

3. Разработать методику проектирования и технологические

схемы ликвидации остаточных водопритоков в вертикальные стволы шахт.

Идея работы заключается в управляемом процессе формирования завесы за контуром ствола на заданном расстоянии в горном массиве путем целенаправленного изменения концентрации структурообразователя в тампонажном растворе и учете зависимости динамического напряжения сдвига раствора от времени его течения для сохранения крепи ствола от разрушения.

Методы исследований. Методическую основу исследований составляет комплексный подход: анализ и обобщение литературных данных, аналитические и лабораторные исследования процесса течения вязкопластичного тампонажного раствора в трещиноватом массиве, разработка на базе новых результатов методики проектирования ликвидации остаточных водопритоков в вертикальные стволы шахт. Аналитические исследования выполнены на основе гидродинамики подземных вод и физики течения вязкопластичных жидкостей, методов математического моделирования. Лабораторные исследования включали определение реологических свойств тампонажных растворов в зависимости от времени структурирования, физическое моделирование процесса течения глиноцементных растворов в трещине на специальном стенде, статистическую обработку результатов исследований.

Научные положения, защищаемые в диссертации :

1. Закономерности изменения реологических характеристик высокодисперсных глиноцементных тампонажных растворов являются степенными функциями количества структурообразователя и времени течения раствора в процессе формирования противофильтрационной завесы.

2. Гидродинамические потери давления и остановка движения тампонажного раствора в трещине на заданном расстоянии через установленное время регулируются изменением величины динамического напряжения сдвига раствора при стационарном режиме нагнетания.

3. Проектирование конструктивных и технологических параметров водо-изоляционной завесы за контуром ствола осуществляется по методике, базирующейся на объективной горногеологической информации и физической взаимосвязи динамического напряжения сдвига раствора, количества структурообразователя в нем, времени течения раствора и радиуса его распространения, что позволяет достичь высокой эффективности тампонажа и сохранения крепи ствола от разрушения.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью постановки и решения задач, применением апробированных фундаментальных соотношений подземной гидродинамики, методов математического и физического моделирования; удовлетворительной сопоставимостью результатов аналитических, лабораторных и натурных исследований (относительная ошибка 5-12%); положительными результатами внедрения разработанных технических решений в производственных условиях.

Научная новизна работы заключается в следующем :

1. Аналитически обоснованы и экспериментально установлены эмпирические степенные зависимости динамического напряжения сдвига, статического напряжения сдвига и пластической прочности глиноцементного тампонажного раствора от концентрации жидкого стекла и времени.

2. Установлена новая аналитическая зависимость гидравлических потерь давления при движении тампонажного раствора в трещине, учитывающая раскрытие трещины, радиус завесы, количество структурообразователя в растворе и время его течения; аналитически получены уравнения расчета технологических параметров процесса формирования водоизоляционной завесы за контуром ствола.

3. Разработана научно обоснованная методика проектирования технологических параметров ликвидации остаточных водопритоков в вертикальные стволы шахт, позволяющая выполнить полный инженерный расчет всего процесса постановки противофильтрационной завесы за

контуром ствола в трещиноватом горном массиве с учетом условия сохранения крепи от разрушения.

Научное значение работы состоит в эмпирио - аналитическом решении задачи постановки водоизоляционной завесы на заданном расстоянии за контуром ствола из глиноцементного тампонажного раствора с управляемыми реологическими характеристиками путем получения новой аналитической зависимости для гидродинамических потерь давления при движении вязкопластичной жидкости в трещине.

Практическое значение работы заключается в разработке методики проектирования и технологических схем ликвидации остаточных водопритоков в вертикальные стволы шахт, позволяющих повысить эффективность и безопасность тампонажных работ.

Реализация результатов исследований. Результаты выполненных исследований используются в ГОАО "Спецтампонажгеология" при проектировании тампонажных работ по ликвидации остаточных водопритоков в вертикальные стволы шахт.

Основные положения диссертационной работы реализованы при производстве тампонажных работ по ликвидации остаточных водопритоков в вертикальный ствол № 1- бис шахты "Торецкая" ГХК "Дзержинскуголь" и при строительстве вспомогательного ствола № 2 шахты " Юбилейная" ОАО "Ростовуголь".

Личный вклад автора состоит в определении цели, идеи работы и задач исследований; выполнен критический анализ существующих методик расчета параметров и технологий ликвидации остаточных водопритоков в стволы шахт, проведены аналитические и лабораторные исследования реологических свойств тампонажных растворов, принято участие в экспериментальных исследованиях и во внедрении результатов исследований в практику тампонажных работ, сформулированы научные положения, выводы и рекомендации.

Апробация результатов исследований . Основные положения диссертационной работы докладывались и были одобрены на научно-

технических конференциях профессорско-преподавательского состава, студентов и аспирантов Шахтинского института НГТУ (г. Шахты, 1996 - 1998 г.г.),на научно-производственной конференции "Научно-технические проблемы строительства вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок" (г. Шахты, 1997 г.), на заседании Южно-Российского отделения Академии горных наук Российской Федерации (г. Шахты, 1998 г.), на расширенных заседаниях научно-технического совета ГОАО "Спецтампонажгеология" (г. Антрацит, 1997 и 1998 г.г.).

Публикации. Основные научные результаты, полученные в процессе исследований, опубликованы в 6 (шести) печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 131 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков, 29 таблиц, список литературных источников из 103 наименований и одного приложения.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре « Строительство шахт и подземных сооружений» Шахтинского института Новочеркасского государственного технического университета и в ГОАО "Спецтампонажгеология" в 1995 - 1998 годах.

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору, академику АГН и АС Украины, действительному члену Нью-Йоркской АН, Лауреату Государственной премии СССР Кипко Э.Я., доктору технических наук, профессору, члену-корреспонденту АГН Украины, Лауреату Государственной премии СССР Полозову Ю.А., доктору технических наук, профессору, члену-корреспонденту АС Украины, действительному члену Нью-Йорской АН, Лауреату премии им. Скочинского Спичаку Ю.Н., кандидатам технических наук Должикову П.Н. и Цаплину Е.Г., сотрудникам СпецШСУ ГОАО "Спецтампонажгеология" за ценные замечания и помощь при выполнении диссертационной работы и внедрении результатов исследований.

ГЛАВА 1 . АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ВОДОПОДАВЛЕНИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ И ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИОННОЙ ЗАВЕСЫ

1.1. Анализ методов борьбы с водопритоками в шахтном строительстве

При сооружении шахтных стволов и других капитальных горных выработок серьезные трудности создает обводненность горных пород. Как показывает практика горнопроходческих работ из отдельных водоносных горизонтов приток воды в ствол составляет 50-80 м3/час, а также довольно часто встречаются интервалы с водопритоком более 100 м3/час. При сооружении вертикального ствола шахты глубиной 800-1000 м в сложных горногеологических условиях общий ожидаемый водоприток по стволу достигает 600-800 м3/час / 1, 2, 5, 19, 23, 49, 63, 88 /.

Сооружение горных выработок в обводненных породах обязательно предусматривает применение специальных способов, являющихся нередко единственно возможным и экономически целесообразным мероприятиям с целью повышения эффективности горнопроходческих работ. При помощи специального способа вокруг горной выработки в интер