CC BY
40
10. Antonenko N.A., Shejnkman L.Je. Vlijanie melkodispersnoj iz-vestkovoj pyli na sostojanie rastitel'nosti. / Materialy konferencii «Molodjozhnye innovacii». Tula. Tul'skij Gosudarstvennyj universitet. 2015. S. 57.
11. Kurachev V. M. Klassifikacija pochv tehnogennyh landshaftov / Kurachev V. M., Androhanov V. A. // Sibirskij jekologicheskij zhurnal. 2002. № 3. S. 255-261.
12. Fedorova A.I., Nikol'skaja A.N. Praktikum po jekologii i ohrane okruzhajushhej sredy. Uchebnik. M: VLADOS. 2003. 288s.
13. Karpova E.A, Motuzova G.V. Himicheskoe zagrjaznenie biosfery i ego jekologicheskie posledstvija. M.: Nauka, 2013. 320 s.
14.Androhanov V.A., Kuljapina E.D. Pochvy tehnogennyh landshaftov: genezis i jevoljucija / Novosibirsk. 2004. S. 150-153.
УДК 550.822:622.838
О ПОВТОРНОЙ ЛИКВИДАЦИИ НАКЛОННЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ЗАКРЫТЫХ ШАХТ РЕСУРОСБЕРЕГАЮЩИМИ
СМЕСЯМИ
А.А. Белодедов, П.Н. Должиков, С.О. Легостаев
Рассматривается процесс повторной ликвидации пустот старых наклонных горных выработок методом тампонажа. Требуемый объем тампонажных и закладочных растворов определяется по результатам бурения скважин на горизонт залегания выработки. Описываются рецептуры тампонажных и закладочных растворов для горно-геологических условий Восточного Донбасса.
Ключевые слова: повторная ликвидация, наклонные горные выработки, закрытые шахты, буровая скважина, закладка, тампонаж.
Основным способом повторной ликвидации вскрывающих наклонных горных выработок закрытых угольных шахт, в частности, их ликвидационных интервалов, залегающих на малых глубинах и представляющих опасность с точки зрения процесса неконтролируемого сдвижения горных пород и образования провалов земной поверхности, является их закладка и тампонаж [1, 2].
Требуемый объем закладочного материала определяется исходя из пролета и горнотехнического состояния старой горной выработки (зияющая, частично обрушенная, забутованная) [3].
Цель работы - поэтапно рассмотреть процесс повторной ликвидации старых вскрывающих наклонных горных выработок.
Рассмотрим пространственную структуру и характеристики материала закладки (засыпки) ликвидированной, изолированной или брошенной вскрывающей наклонной выработки, заполненной обломочным материалом. Ввиду того, что заполнение выработанного пространства осуществлялось крупнообломочным материалом (горная масса, горелая порода), то пространственная структура горной выработки представляет собой разнородные каналы, пустоты, параметры которых различны на разных участках ликвидационного интервала
выработки. Материал заполнения выработки с течением времени и под влиянием внешних воздействий изменяет деформационные свойства. Данное обстоятельство обуславливает случайный, хаотичный характер свойств выработанного пространства, основными из которых является остаточная пустотность и проницаемость, по величинам которых рассчитываются параметры закладки и тампонажа старой наклонной горной выработки [4].
В настоящее время наиболее достоверным способом изучения пустотно-сти и проницаемости ранее засыпанных, изолированных и брошенных горных выработок, залегающих на малых глубинах, к которым относятся ликвидационные интервалы вскрывающих наклонных горных выработок, является бурение батареи разведочно-эксплуатационных скважин с отбором керна. Результаты бурения и последующая статистическая обработка локальной информации позволяют определить объем материала закладки выработанного пространства.
В процессе бурения скважины провал бурового инструмента на величину к\ (рис. 1) свидетельствует о наличии пустоты (свода или купола обрушения). Ускоренная проходка в интервале Н2 с усиленным поглощением промывочной жидкости свидетельствует о наличии обрушенных (пережатых, деконсолидированных) на почву горной выработки пород. Фиксируемые изменения в режиме работы буровой установки, позволяют определить литологиче-ский состав массива горных пород, вмещающего выработку и фактические высоты куполов обрушения (табл.1).
Таблица 1
Изменения режима работы буровых установок при перебуривании старых наклонных горных выработок [3]
Горнотехническое состояние выработки Условия встречи и перебуривания зоны горной выработки скважиной
Зияющая Увеличение механической скорости бурения на 15-25 %. Провал бурового инструмента на величину 0,2 - 1,5 м. Отсутствие керна в интервале горной выработки. Каверны в зоне влияния выработки достигают 2-3 диаметров бурения.
Частично обрушенная Увеличение механической скорости бурения на 15-25 %. Имеют место провалы бурового инструмента. Значительный «зажим» бурового инструмента. Выход керна составляет 40-50 %. Поднятие пород кровли и почвы колонковой трубой. Каверны в зоне влияния достигают 1,8-2 диаметра бурения. Проходка скважины в интервале горной выработки достигается за счет многократной проработки.
Забутованная Увеличение механической скорости бурения на 15-25 %. Наблюдаются незначительные «зажимы» бурового инструмента. Выход керна в осложненной зоне составляет не менее 50 %. Материал забутовки не поднимается колонковой трубой. Каверны в зоне влияния выработки достигают 1,3-1,5 диаметра бурения.
Стоит отметить, что указанные в табл.1 условия встречи и перебурива-ния зоны горной выработки на практике могут значительно отличаться от при-
веденных в ней. Связано это, прежде всего с резким изменением гидрогеологических условий в зоне закрытого горнодобывающего предприятия, деформационных характеристик и несущей способности массива горных пород, а также особенностями механизма развития куполов обрушения в выработках, залегающих в выветрелой зоне карбона.
Таким образом, разведочно-эксплуатационная скважина является своеобразной единицей первичной геологической информации, на базе которой строится представление о состоянии старой горной выработки и породного массива. Важным является вопрос повышения информативности подобного рода сведений путем применения современных геофизических методов исследования породного массива [5, 6].
Рис. 1. Схема к определению объема закладочного материала для заполнения свободного пространства горной выработки: 1 - разведочно-эксплуатационная буровая скважина; 2 - фактическая поверхность горной выработки; 3 - проектный контур горной выработки; 4 - обрушенные породы; 5 - условная граница зоны
активных деформаций
Принимая во внимание тот факт, что на геомеханическую устойчивость массива горных пород кроме наличия пустот влияет также и высокая его тре-щиноватость, то его тампонирование является не только эффективной, но и в ряде случаев единственной технически осуществимой мерой по его укреплению. В данном случае обеспечивается безопасная эксплуатация участков земной поверхности, возвращаемых в хозяйственный оборот после закрытия горнодобывающего предприятия. Тампонаж массива горных пород заключается в заполнении трещин или пустот в массиве горных пород или горных выработок высокодисперсными твердеющими или коагулирующими растворами, в качестве которых могут применяться цементные, глиноцементные растворы, битумы,
быстротвердеющими химическими растворами, растворами на основе твердых отходов горного производства и теплоэлектростанций [7-10].
Определение требуемого на заполнение пустоты объема закладочного материала является наиболее важным с точки зрения обоснования экономической эффективности параметров горно-ликвидационных работ, исходя из типа горной выработки, ее горнотехнических характеристик, и геомеханического состояния вмещающего массива горных пород.
Идеальным условием ведения этих работ является заполнение пространства старой горной выработки до ее фактической поверхности 2 (рис.1), частично заполненной обрушенными породами 4, фактическое состояние которой определено по результатам бурения разведочно-эксплуатационной скважины 1.
Исходными данными в данном случае являются пролет выработки а, длина сохранившейся части керна Н, из которой провал бурового инструмента составил И1, а интервал ускоренной проходки - Н2. Объем пустоты V, подлежащей закладке, определяется из выражения
V = V - У2, (1)
где У1 - объем одиночного (выделенного) участка горной выработки; У2 - объем обрушенных пород на почве выработки (без учета объема каналов фильтрации в них).
Одиночный характер ликвидационных интервалов вскрывающих наклонных горных выработок на практике встречается достаточно редко. Они являются достаточно протяжёнными, имеют вентиляционные, калориферные каналы и могут пересекаться со штреками (рис. 2, табл. 2). Даже при отработке камерным способом всегда имеется место для накопления обрушенных пород со стороны примыкающего пространства.
А
б
В
Рис. 2. Схема возможного образования обрушений горных пород в старых наклонных горных выработках: а - тупиковая часть горной выработки (ограниченная изоляционной перемычкой); б - протяженная часть горной выработки; в, г - пересечения (сопряжения) наклонных выработок с горизонтальными (штреками, вентиляционными и калориферными каналами)
Таблица 2
Взаимосвязь между требуемым объемом закладочного материала и горнотехническими параметрами выработок
Тип взаимного расположения горных выработок (рис.) Требуемый объем закладочного материала
Тупиковая часть наклонной горной выработки (ликвидационный интервал) (рис. 2, а) V = V + ¥з - ¥2,
Протяженная часть наклонной горной выработки (рис. 2, б) V = V + Vз + ^ - V2,
Трехстороннее (Т-образное) пересечение наклонной выработки с горизонтальными выработками (рис. 2, в) V = V + 2^3 + ^ - V,
Четырехстороннее (крестообразное) пересечение наклонной выработки с горизонтальными выработками (рис. 2, г) V = V + 3Vз + V4 - V2,
Рассмотрим вскрытую забоем разведочно-эксплуатационной буровой скважины старую наклонную горную выработку, имеющую свободное пространство, как по восстанию, так и по падению, с оформившимся куполом обрушения и накопившимися на ее почве обрушенными породами (рис. 3).
Рис. 3. Схема к определению объема закладочного материала для заполнения одиночного (выделенного) участка старой наклонной
горной выработки
Требуемый объем закладочного материала определяется из выражения
V = V + Уъ + У4 - V2, (2)
20
где У4 - количество закладочного материала, распространившееся в примыкающее пространство под углом естественного откоса ф0 до полного заполнения пустоты,
у = ак2 (3)
4 2tg (ф-а)' Объем У3 определяется как
V ак2
3 = 2tg (ф о + а), (4)
где а - угол падения выработки, градус; а - пролет выработки, м. При отсутствии подтверждающих архивных маркшейдерских данных принимается не более 5 м, как предельная ширина для старых горных выработок; к - высота старой горной выработки, м. При отсутствии данных принимается не более 3 м, как предельная высота для старых протяженных горных выработок.
Объем одиночного интервала горной выработки с оформившимся над ним куполом обрушения составит:
У = ак 2(1 + + И3), (5)
где к1+к2 - высота пустоты, м; к3 - высота конуса обрушенной на почву горной выработки породы, м.
Объем обрушенной на почву горной выработки породы
У2 = 3 п(1 + И2)201в2 р, (6)
где р - угол естественного откоса обрушенной породы, зависящий от ее лито-логического состава, времени залегания на почве выработки и состояния (сухая, влажная, обводненная). Значения угла естественного откоса в данном случае могут изменяться от 15 до 45 градусов [6].
Таким образом, выражение (2) с учетом (3), (4), (5) и (6) принимает вид
С ' - 2 , 2 V
V = лк п кф
а
к2 к'
аН +-+
2tg(фо + а) 2tg(фо - а)
-3 па(&1 + 112)2С^2 р,
V V ' у у
где X - коэффициент перегрузки, учитывающий наличие локальных пустот, равный 1,2 - 1,5; кП - коэффициент пустотности выработки, для условий Восточного Донбасса принимается равным 0,25 - 0,4; кФ - коэффициент, учитывающий форму сечения старой наклонной горной выработки.
Как показывает опыт ведения горно-ликвидационных работ, очень часто цемент не соответствует требованиям, предъявляемым к тампонажным работам, а тампонирование крупных трещин и пустот цементными растворами не всегда результативно. Развитием тампонажа горных пород явилась разработка глиноцементных тампонажных растворов и их применение по комплексному методу ГОАО «Спецтампонажгеология» [1, 2, 7]. Для условий Ростовской области возможно применение тампонажного раствора на базе глин Федоровского месторождения следующего состава: глинистый раствор плотностью р=1200 кг/м ; сульфатостойкий портландцемент М400 - 100 кг, жидкое стекло - 10 кг.
Был проведен ряд исследований, результатом которых явилась разработка ресурсосберегающих тампонажных и закладочных растворов и бетонов на основе отсева горелой породы и отходов Шахтинской и Сулинской ТЭС. В качестве вяжущего вещества применялся сульфатостойкий цемент.
На основании результатов проведенных исследований рекомендуются следующие составы бетонов для возведения ограждающих перемычек, растворов для ее закладки, гидроизоляции и тампонажа старых наклонных горных выработок в процессе их ликвидации и повторной ликвидации.
Для возведения ограждающей перемычки рекомендуется применение бетона следующего состава (Ц- цемент,Зшахт - золошлаковые отходы Шахтинской ТЭС, О - отсев горелой породы, В - вода техническая):
Ц: Зшахт: О: В = 1: 3,8: 23,9: 4,8 (по весу). Расход материалов на 1 м3 бетонной смеси составляет: Ц - 59,5 кг; Зшахт - 226 кг; О - 1422,5 кг; В - 287 кг (итого 1995 кг).
Для создания тампонажной золоцементной перемычки (гидроизоляционного слоя ограждающей перемычки) рекомендуется применение раствора состава:
Ц: Зшахт: в = 1: 30: 10 (по весу). Расход материалов на 1 м3 растворной смеси: Ц - 43 кг; Зшахт - 1286 кг; В - 439 кг (итого 1768 кг).
Для тампонажа горных выработок рекомендуется применение раствора состава:
Зшахт: В = 1: 0,36 (по весу). Расход материалов на 1 м3 растворной смеси: Зшахт - 1270 кг; В - 460 кг (итого 1730 кг).
При ведении горно-ликвидационных работ нагнетание закладочных смесей в повторно ликвидируемую выработку осуществляется через батарею закладочных скважин, пробуренных по оси выработки в безнапорном режиме. Нагнетание тампонажного раствора осуществляется в напорном режиме через несколько рядов тампонажных скважин, пробуренных параллельно оси выработки. Схема повторной ликвидации вскрывающих наклонных горных выработок закрытых угольных шахт представлена на рис. 4 (показано только сечение выработки).
Процесс повторной ликвидации указанных горных выработок осуществляется в две стадии:
1) максимально возможное заполнение пустоты до кровли (фактической поверхности) горной выработки закладочным материалом через закладочные скважины с целью создания подпора породам основной кровли и исключения возможности образования вторичных куполов обрушения.
2) тампонаж зоны активных деформаций над выработкой ресурсосберегающими вязкопластичными тампонажными растворами по комплексному методу для предотвращения возможности развития существующих пустот, образования и развития вторичных куполов обрушения путем подавления водопритоков в них и для обеспечения длительной геомеханической устойчивости повторно ликвидируемых выработок.
6 1 6
Рис. 4. Схема повторной ликвидации наклонных вскрывающих горных
выработок (показано только сечение): 1 - закладочная буровая скважина; 2 - фактическая поверхность горной выработки;
3 - проектный контур горной выработки; 4 - обрушенные породы;
5 - условная граница зоны активных деформаций;
6 - тампонажная скважина
Выводы
1. Повторная ликвидация указанных выработок путем обоснованного синтеза закладки и тампонажа является единственным технически осуществимой ввиду их неудовлетворительного и аварийного горнотехнического состояния без присутствия людей в их забоях.
2. Требуемый объем тампонажных и закладочных материалов возможно определить по результатам бурения разведочно-эксплуатационных скважин на горизонт залегания ликвидационного интервала вскрывающей наклонной горной выработки.
3. Рецептуры тампонажных и закладочных растворов должны регламентироваться региональными гидрогеологическими условиями и горнотехнической ситуацией в каждом отдельно взятом случае и регулироваться в широком диапазоне введением в состав вяжущих и структурообразователей.
Список литературы
1. Комплексный метод тампонажа при строительстве шахт: учеб пособие / Э.Я. Кипко [и др.]. 2-е изд., перераб. и доп. Днепропетровск: Национальный горный университет, 2004. 415 с.
2. Кипко Э.Я., Должиков П.Н., Рябичев В.Д. Комплексная технология ликвидации наклонных горных выработок закрытых шахт: монография. Донецк: Норд-пресс, 2005. 218 с.
3. Руденко А.П. Бурение геологоразведочных скважин в сложных геологических условиях: Метод. разраб. М.: УМК Ком. по геологии и использ. минер. ресурсов РФ. 1992. 157 с.
4. Феофанов А.Н. Переоценка влияния факторов на процесс активизации провалообразований // Науковi пращ УкрНДМ1 НАН Украши, №5 (частина I). Донецк, 2009. С. 18-32.
5. Исследование геодинамических последствий закрытия угольных шахт в части ликвидации и консервации стволов: отчет о НИР (заключ.). Часть 1: 3742 / ФГУП ННЦ ГП - ИГД им. А. А. Скочинского; рук. Лиманский А.В., Чирков С.Е.; исполн.: Гранин И.В. [и др.]. Люберцы, 2011. 102 с. Библиогр.: С.98-102. N ГР 01201169540.
6. Larry G. Stolarczyk, Syd S. Peng. Advanced Electromagnetic Wave Technologies for the Detection of Abandoned Mine Entries and Delineation of Barrier Pil-lars.Presented to Mine Safety and Health Administration (MSHA) and Office of Surface Mining Reclamation and Enforcement (OMSRE). Interactive Forum on Geophysical Technologies for Detecting Underground Coal Mine Voids, July 28-30, 2003, Lenxington, Kentucky. 65 p.
7. Глиноцементные тампонажные растворы в горном деле/ Н.А. Дудля, Н.Н. Тельних, А.В. Попов, Е.Г. Цаплин// Монография. Днепропетровск: Национальный горный университет, 2004. 191 с.
8. Derek Millar, Bill Holz. Ipswich Motorway upgrade - filling of abandoned coal mines. QUEENSLAND ROADS Edition No 9 September 2010. P. 46 - 61.
9. Lokhande R.D., Prakash A., Singh K.B., Singh K.K.K. Subsidence control measures in coalmines: A review // Journal of Scientific & Industrial Research. Vol. 64. May 2005. P. 323-332.
10. Sowmya Bulusu, Ahmet H. Aydilek, Paul Petzrick, Robin Guynn. Remediation of Abandoned Mines Using Coal Combustion By-Products. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, August 2005. P. 958-969.
Белодедов Андрей Алексеевич, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, a.a.belodedov@mail.ru, Россия, Новочеркасск, Южно-Российский государственный политехнический университет имени М.И. Платова,
Должиков Петр Николаевич, д-р техн. наук, проф. dolpn@yandex.ua, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Легостаев Станислав Олегович, горный инженер, stas_legostaev@mail.ru, Россия, Шахты, ООО «ЮжПромГеология»
ON THE RE-LIQUIDATION OF AN INCLINED MINE WORKINGS OF ABANDONED MINES
RESOURSE-SAVING MIXTURES
A.A. Belodedov, P.N. Dolzhikov, S.O. Legostaev
This paper examines the process of re-eliminate voids old inclined mine workings, the method of plugging. The required amount of backfill and filling of the solutions is determined by the
results of drilling on the horizon of occurrence output. Describes the formulation of grouting and backfill solutions for mining and geological conditions of the Eastern Donbass.
Key words: re-liquidation, inclined mine workings, abandoned mines, drilling wells, laying, plugging
Belodedov Andrey Alexeevich, candidate of technical science, docent,manager of depart-ment«Mining», a.a.belodedov@mail.ru, Russia, Novocherkassk, Platov South Russian State Polytechnic University,
Dolzhikov Petr Nikolaevich, doctor of technical science, professor, dolpn@yandex.ua, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Legostaev Stanislav Olegovich, mine engineer, stas_legostaev@mail.ru, Russia, Shakhty, „YuzhPromGeologia" LLC
Reference
1. Kompleksnyj metod tamponazha pri stroitel'stve shaht: ucheb posobie / Je.Ja. Kipko, P.N. Dolzhikov, N.A. Dudlja i dr. - 2-e izd., pererab. i dop. Dnepropetrovsk: Nacional'nyj gornyj universitet, 2004. 415 s.
2. Kipko Je.Ja., Dolzhikov P.N., Rjabichev V.D. Kompleksnaja tehnologija likvidacii nak-lonnyh gornyh vyrabotok zakrytyh shaht. Monografija. Doneck: Nord-press, 2005. 218 s.
3. Rudenko A.P. Burenie geologorazvedochnyh skvazhin v slozhnyh geologicheskih uslo-vijah: Metod. razrab. M.: UMK Kom. po geologii i ispol'z. miner. resursov RF. 1992. 157 s.
4. Feofanov A.N. Pereocenka vlijanija faktorov na process aktivizacii provaloobrazovanij // Naukovi praci UkrNDMI NAN Ukraini, №5 (chastina I). Doneck, 2009. S. 18-32.
5. Issledovanie geodinamicheskih posledstvij zakrytija ugol'nyh shaht v chasti likvidacii i konservacii stvolov: otchet o NIR (zakljuch.). Chast' 1: 37-42 / FGUP NNC GP - IGD im. A.A. Skochinskogo; ruk. Limanskij A.V., Chirkov S.E.; ispoln.: Granin I.V. [i dr.]. Ljubercy, 2011. 102 s. Bibliogr.: S.98-102. N GR 01201169540.
6. Larry G. Stolarczyk, Syd S. Peng. Advanced Electromagnetic Wave Technologies for the Detection of Abandoned Mine Entries and Delineation of Barrier Pillars.Presented to Mine Safety and Health Administration (MSHA) and Office of Surface Mining Reclamation and Enforcement (OMSRE). Interactive Forum on Geophysical Technologies for Detecting Underground Coal Mine Voids, July 28-30, 2003, Lenxington, Kentucky. 65 p.
7. Glinocementnye tamponazhnye rastvory v gornom dele/ N.A. Dudlja, N.N. Tel'nih, A.V. Popov, E.G. Caplin// Monografija. Dnepropetrovsk: Nacional'nyj gornyj universitet, 2004. 191 s.
8. Derek Millar, Bill Holz. Ipswich Motorway upgrade - filling of abandoned coal mines. QUEENSLAND ROADS Edition No 9 September 2010. P. 46 - 61.
9. Lokhande R.D., Prakash A., Singh K.B., Singh K.K.K. Subsidence control measures in coalmines: A review // Journal of Scientific & Industrial Research. Vol. 64. May 2005. P. 323-332.
10. Sowmya Bulusu, Ahmet H. Aydilek, Paul Petzrick, Robin Guynn. Remediation of Abandoned Mines Using Coal Combustion By-Products. Journal of Geotechnical and Geoenviron-mental Engineering, August 2005. P. 958-969.
