Обоснование технологии возведения противофильтрационных завес при сооружении водоупорных перемычек в капитальных выработках

Угольная промышленность является одной из важнейших горнодобывающих отраслей. Больше половины общего объема добываемого угля и практически весь объем высококачественного угля приходится на подземную добычу. В настоящее время происходит углубление горных работ, отработаны легкодоступные месторождения, идет консервация и закрытие нерентабельных шахт. Это приводит к увеличению объемов горных работ, сопровождающихся осложнениями в виде подземных эндогенных пожаров и внезапных прорывов воды из вышележащих погашенных выработок в действующие горизонты. Методы тушения эндогенных пожаров подтоплением выработок и предохранения от внезапных прорывов воды основаны на изоляции выработанных пространств водоупорными перемычками. В Кузбассе ежегодно сооружают и усиливают более 1000 изолирующих перемычек. Из них более одной трети являются водоупорными, рассчитанными на большие давления воды до 1−2 МПа и более и возводятся в основном из бетона со врубами. Низкая эффективность работы водоупорных перемычек под большим давлением обусловлена значительными перетоками воды через массив нарушенных горных пород вокруг тела перемычки и потерей его устойчивости за счет ослабления при устройстве вруба.

Одним из эффективных способов повышения водонепроницаемости изолирующих перемычек и повышения устойчивости окружающего их массива горных пород является его инъекция тампонажными растворами. Представляется также перспективным использование крепей с управляемой несущей способностью при креплении выработок в районе заложения водоупорных перемычек. Такая технология предполагает крепление капитальных выработок при их проведении обычной (базовой) металлической арочной крепью и последующее ее усиление в момент сооружения перемычки. Однако существующие рекомендации по выбору параметров технологии инъекции тампонажных растворов и усилению базовых конструкций крепей не представляется возможным использовать в полном объеме, так как они не учитывают фильтрационные особенности массива вокруг перемычки, геометрию и свойства тампонажной завесы. Требования к про-тивофильтрационной тампонажной завесе обусловлены прежде всего оценкой и сравнением величин перетоков воды до и после инъекции, оценкой влияния параметров закрепной тампонажной оболочки и инъекционного усиления базовой крепи. Требования к технологии инъекции тампо-нажных растворов и креплению выработки с усилением базовой крепи также имеют свою специфику, обусловленную необходимостью одновременного выполнения двух условий — создание необходимой водонепроницаемости и требуемой устойчивости затампонированного массива.

На основании вышеизложенного представляется актуальным научное обоснование технологии возведения противофильтрационных завес при сооружении водоупорных перемычек в капитальных выработках.

Цель работы — обоснование технологии возведения противофильтрационных завес в капитальных выработках, обеспечивающей качественную изоляцию водоупорных перемычек от перетоков воды и устойчивость поддерживаемого массива горных пород при больших напорах.

Идея работы состоит в использовании закономерностей перетоков воды через окружающий перемычку массив горных пород при определении параметров противофильтрационной завесы и разработке технологии сооружения водоупорной перемычки с усилением крепи.

Методы исследований. Выполненный комплекс исследований включает в себя анализ и обобщение литературных источников, теоретические исследования с использованием методов теории фильтрации, лабораторные стендовые и натурные экспериментальные исследования, численные расчеты на персональном компьютере, технико-экономический анализ.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе разработана математическая модель фильтрации воды через массив горных пород при наличии противофильтрационной тампонажной завесы и на ее основе установлены закономерности перетоков воды. Обоснованы параметры технологии инъекции массива горных пород при возведении проти-вофильтрационной завесы и креплении выработки. Исследована работа металлических арочных крепей с элементами усиления. Обоснована технология создания изолирующих несущих оболочек на основе нанесения на-брызгбетона. Обоснована технология создания изолирующих несущих оболочек на основе применения передвижной металлической опалубки ОМП и щитовой инвентарной опалубки. Разработаны варианты технологии сооружения водоупорных перемычек на основе инъекции массива горных пород, предусматривающие их уплотнение и усиление, а также комбинацию укладки бетона в тело перемычки и инъекции окружающего массива. Приведены примеры результатов внедрения.

Научные положения, защищаемые в диссертации и разработанные лично соискателем:

— толщина тампонажной завесы при ее увеличении до 7 м оказывает влияние на величину перетока воды, а зависимость от проницаемости незначительна (при уменьшении проницаемости в 4 раза водоприток уменьшается в 1,2−1,5 раза), причем изменение проницаемости и длины закреп-ной тампонажной оболочки не влияют на переток;

— качественный тампонаж горных пород обеспечивается в основном на первой стадии нагнетания раствора при постоянном расходе, время которого не превышает 10 минут, причем расход раствора прямо пропорционален давлению на скважине и обратно пропорционален радиусу тампонажа;

— усиление крепи в районе водоупорных перемычек более чем в 2 раза возможно за счет изменения конструкций узлов податливости металлической арочной крепи, причем существующие конструкции используют потенциальную несущую способность спецпрофиля только на 36−54%;

— качественное возведение изолирующей несущей оболочки обеспечивает разработанная конструкция щитовой инвентарной опалубки в виде трапециевидных щитов, соединяемых с рамами крепи крюкообразными устройствами, причем ее использование в комплекте с бетонорастворонасосом БНШ-10 позволяет увеличить несущую способность оболочки и снизить трудоемкость ее возведения в 1,5−2 раза;

— изоляцию от поступления воды обеспечивает технология комбинированного возведения водоупорной перемычки, чередующая укладку бетона заходками с инъекцией окружающего породного массива, а также предусматривающая последующее инъецирование контакта с породами и швов между заходками.

Научная новизна работы заключается:

— в установлении закономерностей влияния параметров противо-фильтрационной тампонажной завесы на величину перетока воды;

— в определении параметров и режимов нагнетания тампонажного раствора в окружающий перемычку массив горных пород;

— в обосновании возможности усиления крепи в районе водоупорной перемычки путем изменения конструкций узлов податливости металлической арочной крепи;

— в оценке влияния применения разработанных конструкций металлических опалубок и комплексов тампонажного оборудования на качество возведения изолирующей несущей оболочки вокруг выработки;

— в разработке технологии комбинированного возведения водоупорной перемычки, сочетающей укладку бетона с работами по инъекции.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: применением методов теории фильтрациииспользованием крупномасштабных лабораторных стендов и проведением натурных испытанийчисленными экспериментами на ПКположительными результатами опытно-промышленных испытаний технологии возведения водоупорных перемычек.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей влияния параметров противофильтрационной завесы на переток воды, определении параметров технологии нагнетания тампонажных растворов и обосновании на их основе технологии сооружения водоупорной перемычки с возведением тампонажной завесы и усилением крепления выработки.

Практическая г^енностъ. Применение разработанной технологической схемы комбинированного возведения и усиления водоупорной перемычки позволяет обеспечить изоляцию от поступления воды при больших напорах 1−2 МПа и более, уменьшить трудоемкость и стоимость изоляционных работ.

Реализация работы. Основные положения диссертационной работы вошли составной частью в следующие нормативные руководящие документы.

1. Руководство по технологии крепления горных выработок с применением опалубки ОМП, основанной на использовании несущей способности упрочненных пород (РД 12.18.008−89)/ Кузниишахтострой, — Кемерово, 1990.

2. Руководство по технологии возведения металлобетонной крепи с использованием щитовой инвентарной опалубки /Кузниишахтострой. -Кемерово, 1997.

3. Руководство по технологии возведения крепи инъекционными методами и противофильтрационных завес при пересечении пожароопасных угольных пластов/Кузнецкое управление Госгортехнадзора РФ, Кузниишахтострой.-Кемерово, 1999.

Основные положения диссертационной работы вошли составной частью в комплексную работу «Разработка и широкомасштабное внедрение новых высокоэффективных управляемых технологий формирования цементационных завес вокруг выработок для обеспечения безаварийной эксплуатации угольных шахт в условиях обводненных и нарушенных горных пород», удостоенную в 1998 г. премии Правительства РФ в области науки и техники.

Технологическая схема комбинированного возведения и усиления водоупорной перемычки прошла опытно-промышленную проверку и внедрена в Кузбассе на шахтах «Южная», «Юбилейная», «Томская» и «Байдаевская». Экономический эффект составил более 1 млн .р.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научно-технической конференции «Совершенствование техники, технологии и организации шахтного строительства» (г. Кемерово, 1980) — научном симпозиуме «Неделя горняка-2000» (г. Москва, 2000) — научно-практической конференции «Геотехнология на рубеже XXI века» (г. Новосибирск, 1999) — научно-технической конференции преподавателей, аспирантов и студентов КузГТУ (г. Кемерово, 1999) — научно-техническом совете концерна «Кузбассшахтострой» (гг. Новокузнецк, Кемерово, 1980;2000) — расширенном ученом совете ИГДСОРАН (г.Новосибирск, 1996, 1997) — ученом совете Кузниишахтостроя (г. Кемерово, 1998;2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе одна монография и 7 авторских свидетельств и патентов на изобретения.

Настоящая работа является логическим завершением исследований, выполненных при непосредственном участии и руководстве автора в 19 801 999 гг. по тематическим планам института «Кузниишахтострой» в соответствии с отраслевыми координационными планами Минуглепрома СССР и Минтопэнерго РФ.

Работа выполнена в лабораториях проходки горных выработок специальными способами и крепления капитальных выработок Кузбасского научно-исследовательского института шахтного строительства (Кузниишахтострой).

Автор выражает благодарность сотрудникам указанных лабораторий, научному руководителю, научному консультанту, инженерно-техническим работникам шахтостроительных организаций и угольных шахт за практическую помощь при проведении исследований и внедрении их результатов в производство.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Выводы.

1. Инъекционное двухэтапное уплотнение тела водоупорной перемычки и окружающего ее массива горных пород является эффективным средством уменьшения водопритока в выработку, расположенную под водоемами. Применение разработанной технологии на участке полевого штрека гор.+64 м ш. «Южная», расположенного под гидро’отвалом, позволило уменьшить водоприток в выработку со 100−150 м3/ч до 5 м/ч при напоре 2 МПа.

2. Качество водоупорной перемычки обеспечивает укладка бетона заходками с последующей инъекцией контакта с породами, швов и окружающих пород цементными растворами.

3. При напорах воды 1,5−2 МПа и более возведение водоупорной перемычки целесообразно выполнять в четыре этапа, комбинируя работы по укладке бетона и инъекционному уплотнению. На первом этапе с уложенного бетона в горизонтальной плоскости осуществляют тампонаж горных.

151 пород в бортах и кровле выработки. На втором этапе осуществляют бетонирование перемычки на всю высоту в пределах первой заходки и инъекционное уплотнение тела перемычки и пород кровли. На третьем и четвертом этапах выполняют аналогичные работы в пределах, третьей и четвертой заходок. Эффективность разработанной технологии комбинированного возведения водоупорной перемычки на гор.-260 м ш. «Юбилейная» подтверждают результаты ее контрольного подтопления.

4. Инъекционное усиление водоупорной перемычки и гидроизоляция поверхности выработки являются эффективным средством тушения пожаров, что подтверждает пример ш. «Томская».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе изложены научно обоснованные рекомендации по определению параметров возведения противофильтрационных завес, а также технические и технологические разработки по креплению капитальных выработок и сооружению в них водоупорных перемычек, обеспечивающие решение важных прикладных задач в технологии шахтного строительства.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему.

1. На угольных шахтах Кузбасса ежегодно возводится и усиливается более тысячи изоляционных перемычек, предназначенных дня изоляции выработанных пространств от перетоков воздуха и воды, предупреждения внезапных прорывов воды, принятия мер по профилактике и тушению эндогенных пожаров. При этом более одной трети изолирующих перемычек возводится из бетона и при выполнении всех прочих функций выполняет функцию водоупора. В связи с консервацией части угольных шахт и их затоплением объемы сооружения водоупорных перемычек, рассчитанных на большие давления (1−2 МПа и более), будут возрастать. Неудовлетворительная изоляция выработанных пространств обусловлена фильтрацией через вмещающий массив горных пород и по контакту его с телом перемычки. Необходимость устройства вруба приводит к ослаблению массива и необходимости усиления крепи.

2. Величина перетока воды существенно зависит от толщины тампо-нажной завесы при ее увеличении до 7 м, а зависимость от ее проницаемости менее значима, так, например, при уменьшении проницаемости в 4 раза водоприток уменьшается только в 1,2−1,5 раза.

3. Проницаемость и длина закрепной тампонажной оболочки оказывает слабое влияние на величину перетока воды как с напорной, так и безнапорной стороны. Создание протяженной тампонажной завесы по обе тороны от перемычки имеет смысл только для инъекционного упрочнения массива горных пород.

4. Качественный тампонаж горных пород обеспечивается в основном на первой стадии нагнетания раствора при постоянном расходе, время которого не превышает 10 минут. Расход раствора определяется экспоненциальным распределением коэффициента проницаемости, прямо пропорционален давлению на скважине и обратно пропорционален радиусу тампонажа.

5. Существующие конструкции узлов податливости используют потенциальную несущую способность спецпрофиля металлической арочной крепи только на 36−54%. Поэтому только за счет изменения конструкции узлов податливости возможно увеличение несущей способности крепи более, чем в 2 раза. Изоляцию крепи обеспечивает технология набрызгбето-нирования с использованием установки УНБ-1.

6. Полную механизацию приготовления и нагнетания раствора при применении передвижной опалубки для создания изолирующей несущей оболочки обеспечивают разработанные конструкции опалубки и тампо-нажного комплекса УЦ-2, а также вспомогательного оборудования.

7. Применение щитовой инвентарной опалубки в виде трапециевидных щитов, соединяемых с рамами крепи кркжообразными быстросъем-ными устройствами, обеспечивает требуемое качество возведения изолирующей несущей оболочки. Использование разработанных конструкций опалубки и бетонорастворонасоса БНШ-10 позволяет увеличить несущую способность оболочки и снизить трудоемкость ее возведения в 1,5−2 раза.

8. Инъекционное двухэтапное уплотнение тела водоупорной перемычки и окружающего ее массива горных пород является эффективным средством уменьшения водопритока в выработку, расположенную под водоемами. Применение разработанной технологии на участке полевого штрека гор. +64 м ш. «Южная», расположенного под гидроотвалом, позволило уменьшить водоприток в выработку с 100−150 м.

Уч до 5 м /ч при напоре 2 МПа.

9. При напорах воды 1−2 МПа и более возведение водоупорной перемычки целесообразно выполнять в четыре этапа, комбинируя работы по укладке бетона и инъекционному уплотнению как тела перемычки, так и окружающего массива горных пород. Эффективность разработанной технологии комбинированного возведения водоупорной перемычки на гор.-260 м ш. «Юбилейная» подтверждают результаты ее контрольного подтопления.

Разработанная технология комбинированного возведения и уплотнения водоупорной перемычки с созданием тампонажной завесы и усилением крепи выработки внедрена на шахтах «Южная», «Юбилейная», «Томская» и «Байдаевская» с получением экономического эффекта более 1 млн. р.