Разработка технологии сооружения водоизоляционных завес в трещиновато-пористых горных породах при строительстве шахтных стволов

Главными резервами повышения эффективности работы угледобывающих и горнорудных предприятий, оцределеняыми в основных направлениях развития народного хозяйства СССР на I98I-I985 годы, принятых на Х2У1 съезде Ш1СС, являвэтся: обеспечение дальнейшего роста и качественного соверпенствования основных фондов, повышение эффективности капитальных вложений, быстрейший ввод в действие и освоение производственных мощностей за счет улучшения планирования, проектирования и организации строительства, сокращения продолжительности и снижения стоимости строительства и реконструкции предприятий. Государственным планом экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы, одобренным ноябрьским (1981г.) Пленумом ЦК КПСС и принятым Верховным Советом СССР, предусматривается довести добычу угля в 1985 году до 775 млн. тонн* Для этого потребуется строительство большого количества новых и реконструкции действующих шахт. Так, согласно постановлению ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 3 марта 1980 года Л 191 «О мерах по дальнейшему развитию угольной 1фомышленности в Украинской ССР и Ростовской области в 1980 году, одиннадцатой пятилетке и в период до 1990 года», к 1990 году в Донецком угольном бассейне намечается проходка 125 шахтных стволов, из которых 79 расположены в сложных горногеологических условиях. Усложнение горно-геологических условий проведения горных выработок вызвано ростом глубины ведения горных работ" Так, за последние 10−12 лет число шахт, ведущих работы на глубине свыше 700 м, возросло более, чем в 3 раза, а к 1985 году будет эксплуатироваться 15 шахт глубиной I000-I300 м. Рост глубины усиливает влияние опасных проявлений таких при- 5 родных факторов, как катастрофические водопритоки в строящиеся горные выработки. В шахтном строительстве одной из самых трудоёмких и ответственных работ, лежащих на критическом пути строительства, является сооружение шахтных стволов, технологический процесс которого во многих случаях предусматривает выполнение специальных работ по водоподавлению. В этой связи одним из условий дальнейшего повьш1ения технико-экономических показателей строительства угольных и горнорудных предприятий является успешная борьба с водопритоками при проходке стволов шахт. Большой вклад в развитие шахтного строительства внесли многие советские учёные-шахтостроителиН.Г.Трупак, Н. М. Покровский, И. Д, Насонов, Н. Булычёв, Н. Н. Фотиева, Э. Я"Кипко, Б. А. Картозия, В. Л. Попов, В. Н. Каретников, А. П. Максимов, В. В. Смирняков, Г. М. Крастошевский, Г#И.Маньковский, Е.11*Калмыков. Разработке аналитических методов расчёта процесса тампонажа посвящены работы И. И. Вахрамеева, А. Н. Дцамовича, М, А. Саламатова, 1.М.Ивачёва, Ю. А, 11олозова, О.Ю.1ушниковой, В. А, Лагунова, Ю. Н. Спичака, Н. И. Веригина, А. Т. Айтматова, Д. В, Колтунова, А. Камбефора, Э. Э. Алласа, Б. Д. Половова, Б. Й. Кравцова, П. П. Гальчеяко, Е. Г. Дуды, В, А. Хямяляйнена и многих других. В области специальных способов проходки горных выработок в последние годы достигнуты значительные успехи. В частности, широкое распространение получил метод замораживания. Повсеместно применяется как предварительная, так и последующая цементация из забоя выработок. Однако, в настоящее время до 30^ горных выработок проходится в обводнённых трещиновато-пористых и пористых горных породах, И расчёт процесса тампонажа в этих условиях на стадии проектирования, а также контроль параметров нагнетания тампонажного раствора в процессе проведения работ, имеют свои специфические особенности, В процессе течения тампонажных растворов в трещинах с проницаемыми стенками (в треиряновато-пористых породах) происходит нецрерывное отфйльтровываяие жидкой фазы из тампонажного раствора. В результате — изменяются плотность и реологические параметры тампонажного раствора. Следовательно, расчёт давлений нагнетания размеров изоляционной завесы, выбор количества скважин, а также контроль параметров в процессе нагнетания раствора требуют учёта этих явлений. В настоящее время отсутствуют методики расчёта процесса тампонажа трещиновато-пористых горных пород глино-цементными тампояажными растворами, — 8 В теоретических исследованиях, положенных в основу методов расчёта параметров формирования изоляционных завес в комплексном методе тампонажа, как и во всех других известных теоретических исследованиях процесса тампонажа трещиноватых обводненных горных пород, рассматривается течение тампонажных растворов в трещинных каналах с непроницаемыми стенками. Предварительный качественный анализ влияния указанного фактора на процесс распространения тампонажяых растворов показывает, что дальнейшее повышение эффективности проектирования и производства тампонажных работ возможно на основе развития и совершенствования методов расчёта параметров изоляционных завес и процессов их фор/'лирования с учётом отфильтровывания жидкой фазы из тампонажного раствора и изменения реологических параметров при течении раствора в трещинах с проницаемыми стенками. Решение этой проблемы позволит повысить эффективность проектирования, а также качество и экономичность сооружения водоизоляционных завес в сложных гидрогеологических условиях, чему и посвящена настоящая работа. Краткое содержание диссертационной работы: В I разделе рассмотрено современное состояние вопроса тампонажа трещиновато-пористых горных пород при сооружении шахтных стволов. Проведён анализ существующих теоретических представлений о процессе течения вязко-пластичных жидкостей в трещиновато-пористой среде применительно к тампонажу обводнённых горных пород. На основании обзора и анализа современного состояния вопроса тампонажа трещиновато-пористых горных пород сформулирована цель работы и поставлены задачи исследований, Раздел П посвящен аналитическим исследованиям процесса течения глияоцементяых тампонажных растворов в трещиновато-пористых средах. Получены дифференциальные уравнения движения вязко-плаотич- 9 ной жидкости переменной массы. Рассматривается стационарное движение вязко-пластичной жидкости в трещине с проницаемыми стенками. Проведены аналитические исследования процесса отфильтровывания жидкой фазы и изменения реологических и структурно-механических характеристик тампонажного раствора. В Ш разделе изложены результаты экспериментальных исследований процесса течения глиноцементных тампонажных растворов в трещине с проницаемыми стенками. Обоснованы требования и условия моделирования процесса. Приведена методика исследований на экспериментальном стенде. Сопоставляются результаты экспериментальных и аналитических исследований, полученные в разделе П. В 1У разделе рассматривается методика расчёта параметров формирования изоляционной завесы в трещиновато-пористых горных породах, приводятся производственные исследования процесса таглпояажа трещиновато-пористых горных пород, а таЕсже внедрение разработанной методики в промышленных условиях. В У разделе приводится технико-экономическая эд^ективность результатов исследований и внедрения разработанной методики расчёта на промышленных объектах. Работа выполнялась в I977-I983 годах в объединении «Спецтампонажгеология» Минуглепрома УССР и на кафедре СПСиШ Шахтинского филиала НПИ под руководством доктора технических наук, дрофе с сора I’Cnnко Э.Я. и имеет тесную связь с головной темой I50I проблемы Ш, предусмотренной директивным письмом Д-65 Минуглепрома СССР от 22.04.75 г. В этот период автор принимал непосредственное участие в разработке комплексного метода тампонажа. Автор приносит искреннюю благодарность канд.техн.наук Ю. А. Полозову, О. Ю. Лушниковой, В. А. Лагунову, Ю. Н. Спичаку, А. Г. Мацегоре за ценные методические указания и рекомендации в процессе выполнения работы, а та1сже инженерам: Г. С. Левчинскому, Н. Л. Быкову, П. Н. Должикову и Г. М. Смородину за помощь в проведении лабораторных и цро- 10 мышлеяно-эксцериментальных исследований, Основные положения диссертации опубликованы в 13 печатных работах. Отдельные материалы диссертадионной работы докладывались и получили одобрение на XIX научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников и студентов Коммунарского горно-металлургического института, посвященной дню рождения В. И. Ленина и 60-летию Великого Октября (г.Комлунарск, 1977 г.) — на расширенном научно-техническом совете института «Якутнипроалмаз» (г.Мирный, Якутской АССР, 1981г*) — на Всесоюзной технической конференции «Совершенствование техники и технологии шахтного строительства Минчермета СССР» (г.Рудный, Кустанайской обл., 1982 г.) — на научной конференции, посвященной 25-летшо Шахтинского филиала НПЙ (г.Шахты, 1983 г.) — на заседании научно-технического и технико-экономического советов п/о «Спецтампонажгеология» (г.Антрацит, 1984 г.).По теме диссертации автор защищает: а) Вывод дифференциальннх уравнений движения вязко-пластичного тела переменной массыб) Аналитические выражения, описывающие закономерности процесса распространения вязко-пластичных тампонажных растворов под давлением в трещиновато-пористой среде горных породв) Модель процесса течения тампонажных растворов в трещиновато-пористой средег) Усовершенствованную методику расчёта параметров форшрования изоляционных завес в трещиновато-пористых горных породах. Работа состоит из пяти разделов с введением и заключением, содержащих 150 страниц машинописного текста, 48 таблиц, 36 рисунков и списка использованной литературы из 93 наименований. — II.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Наиболее эффективным способом борьбы с притоками воды при сооружении капитальных горных выработок в сложных горногеологических условиях, нашедшим широкое применение в практике шахтного и подземного строительства как в СССР, так и ва рубежом, является комплексный метод тампонажа обводненных горных пород. Дальнейшее повышение эффективности использования комплексного метода тампонажа для условий трещиновато-пористого горного массива базируется на разработанной технологии сооружения водоизоляционных завес, учитывающей отфильтровывание под давлением жидкой фазы из тампонажного раствора в пористую среду при течении его по трещинам,.

2. Выведены дифференциальные уравнения движения вязко-пластичного тела переменной массы, в результате решения которых (применительно к течению глиноцементных тампонажных растворов в трещине с проницаемыми стенками), получены зависимости, учитывающие отфильтровывание жидкой фазы при их течении и позволяющие осуществить расчет параметров формирования глиноцементных тампонажных завес в трещиновато-пористых горных породах при строительстве шахтных стволов.

3. Интенсивность отфильтровывания жидкой фазы из тампонажного раствора при течении его в трещинах с проницаемыми стенками зависит от геометрии области фильтрации и проницаемости межтрещинных блоков, образующих трещины, и обусловливает изменение вдоль пути движения технологических параметров тампонажного раствора и, в конечном счете, — предельный радиус его распространения.

4. На разработанном экспериментальном стенде, обеопечивающем в соответствии с принципами физического подобия научно-обоснованный выбор модели течения дисперсных структурированных систем с переменной массой, установлены основные закономерности течения глиноцементных тампонажных растворов в трещине с проницаемыми стенками и подтверждена полученная аналитически зависимость, характеризующая интенсивность отфильтровывания жидкой фазы из тампонажного раствора, которая используется в инженерных расчетах процесса тампонажа трещиновато-пористых горных пород при строительстве шахтных стволов.

5. Экспериментальными исследованиями установлено, что технологические параметры тампонажного раствора при движении его в трещиновато-пористой среде не остаются постоянными, а зависят от радиуса распространения, коэффициента фильтрации межтрещинных блоков, расхода нагнетания, раскрытия трещин и в динамике достигают своих критических значений в момент прекращения отфильтровывания жидкой фазы из тампонажного раствора.

6. Правомерность полученных аналитическим путем зависимостей, определяющих: интенсивность отфильтровывания жидкой фазы из глиноцементного тампонажного раствора, изменение технологических параметров, потери давления при течении дисперсных структурированных систем в трещине с проницаемыми стенками, — подтверждена экспериментально и доказана возможность использования этих зависимостей в практических расчетах.

7. При проектировании тампонажных работ, расчеты параметров формирования водоизоляционных завес: радиуса распространения раствора, потерь давления, объемов нагнетания, — осуществляются на основе полученных аналитических выражений по разработанной методике, базирующейся на использовании исходных данных, получаемых при выполнении известного комплекса гидродинамических исследований в контрольно-технических и тампонажных скважинах по комплексному методу с использованием расходометрии и метода восстановления давления.

8. Контроль качества выполненных тампонажных работ с высокой эффективностью осуществляется расчетным методом, основанным на определении размеров контуров распространения тампонажного раствора из отдельных скважин, в котором одним из показателей надежности тампонажного является остаточное давление, зафиксированное на насосе по окончании нагнетания. Правомерность и эффективность данного метода подтверждена результатами производственных исследований*.

9. На основе выполненных аналитических и экспериментальных исследований разработана технология сооружения водоизоляционных завес с учетом изменения технологических параметров раствора" Применение разработанной технологии позволяет оптимизировать технические решения при проектировании и производстве тампонажных работ за счет рационального выбора контуров распространения тампонажного раствора при нагнетании его в отдельные скважины, определения количества тампонажных скважин, и, следовательно, необходимых объемов нагнетания тампонажного раствора.

10. Разработанная технология сооружения водоизоляционных завес в трещиновато-пористых породах апррбирована в промышленных масштабах как в СССР (Донецкий угольный бассейн), так и за рубе-дом (ЧССР — шахта «Сланы» Каменноугольного концерна «Кладно») и позволяет значительно повысить эффективность и расширить область применения комплексного метода тампонажа.

Фактическая экономия, полученная на шахте «Красноармейская-Западная» № I п/о Красноармейскуголь и на шахте № 1−2 «Горская» п/о Первомайскуголь при сооружении водоизоляционных завес по разработанной технологии составляет 695 000 руб.

Представленная диссертационная работа является органическим продолжением, дальнейшим совершенствованием и развитием принципов и положений комплексного метода тампонажа обводненных горных пород и направлена на расширение области применения комплексного метода при тампонаже трещиновато-пористых горных пород.

В 1983 году за работу:" Разработка и внедрение нового комплексного метода тампонажа обводненных горных пород при сооружении шахт в сложных горногеологичеоких условиях, выполненную под руководством доктора техн. наук, профессора Э. Я. Кипко, авторскому коллективу сотрудников п/о «Спецтампонажгеология», в числе которого и автор диссертационной работы, присуждена Государственная премия СССР в области науки и техники.

Выполненные исследования и разработки могут быть использованы при проведении тампонажных работ в пористых обводненных горных породах, однако эти исследования далеко не решают всех вопросов, связанных с проблемой тампонажа пористых горных пород. На наш взгляд, одним из важных направлений в дальнейших исследованиях является усовершенствование метода гидроразрыва при создании искусственных трещин в пористых горных породах. Одним из путей решения данной задачи может быть использование методов моделирования процессов на ЭВМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи — разработана технология сооружения водоизоляционных тампонажных завес в трещиновато-пористых горных породах при строительстве шахтных стволов на основании установленных закономерностей изменения технологических параметров глиноцементных тампонажных растворов при течении их в трещиновато-пористом горном массиве. Эта технология позволяет повысить эффективность и расширить область применения комплексного метода тампонажа обводненных горных пород.

Анализ существующих теоретических представлений о течении вязко-плаотичных сиотем в трещинах обводненных горных пород показал, что применяемая при проектировании тампонажных работ по комплексному методу методика расчета параметров формирования изоляционных завес позволяет наиболее полно учитывать закономерности течения тампонажных растворов в трещинных каналах с непроницаемыми стенками. Вместе с тем, инженерные расчеты, которые включают в себя комплексный метод тампонажа, не учитывают влияние отфильтро-вывания жидкой фазы на изменение реологических параметров и потери давления при нагнетании вязко-пластичных тампонажных растворов в трещиновато-пористые горные породы в процессе формирования изоляционных завес. Влияние на процесс тампонажа такого фактора, как отфильтровывание жидкой фазы в межтрещинные блоки под действием создаваемого при тампонаже избыточного давления в трещинах, оставалось неизученным.

Для дальнейшего развития и совершенствования методов тампонажа трещиновато-пористых обводненных горных пород по комплексному методу в настоящей работе решены следующие задачи:

— установлены аналитическим путем закономерности движения вязко-пластичных тампонажных растворов в трещиновато-пористом горном массиве;

— цроверена экспериментально правомерность уравнений, полученных в результате аналитических исследований;

— исследовано изменение технологических характеристик глиноцементного тампонажного раствора при отфильтровывании жидкой фазы;

— разработана научно обоснованная методика расчета параметров формирования водоизоляционных завес из глиноцементных тампонажных растворов в трещиновато-пористых горных породах при строительстве шахтных стволов в сложных горногеологических условиях;

— осуществлено внедрение разработок в промышленных масштабах.

Отличительной и важной особенностью усовершенствованной методики расчета параметров формирования изоляционных завес является следующее: а) В расчетах процесса водоизоляции обводненных пород: от размеров контура распространения тампонажного раствора, количества скважин, режимов нагнетания до оценки качества тампонажных работ, — учитывается влияние отфильтровывания жидкой фазы и изменения реологических параметров раствора, обусловленных проницаемостью межтрещинных блоков. б) Успешное применение методики расчета параметров формирования изоляционных завес с учетом отфильтровывания жидкой фазы из тампонажного раствора осуществляется при знании следующих характеристик водоносных горизонтов: проницаемости межтрещинных блоков, скважности и раскрытия трещин в массиве. Определение данных параметров осуществляется на основе информации, получаемой в результате проведения известного комплекса гидродинамических исследований в контрольно-технической или тампонажных скважинах по комплексному методу. в) При проектировании тампонажных работ применение усовершенствованной методики расчетов параметров формирования изоляционных завес позволяет оптимизировать технические решения по тампонажу.

Успешное решение поставленной задачи стало возможным, благодаря аналитическому рассмотрению процесса течения тампонажных растворов в трещинных каналах горных пород о проницаемыми стенками с учетом отфильтровывания жидкой фазы из тампонажного раствора, имеющего место при воздействии давления нагнетания на тампонажный раствор. На основе полученных дифференциальных уравнений движения были установлены математические зависимости для практических расчетов радиусов распространения и перепадов давления при нагнетании тампонажного раствора.

Создание оригинального стенда, моделирующего процесс течения тампонажного раствора в трещине с проницаемыми стенками, а также выполненные лабораторные и производственные исследования процесса тампонажа подтвердили правильность теоретических изысканий и правомерность использования на практике усовершенствованных и разработанных методик.

Высокая эффективность теоретических, экспериментальных и методических разработок подтверадены результатами промышленного внедрения.