CC BY
192
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 622.25:622.363.2
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИУРЕТАНОВЫХ СМОЛ ДЛЯ ГИДРОИЗОЛЯЦИИ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ
В.В. Тарасов, В.С. Пестрикова
Дана краткая характеристика особенности проходки и эксплуатации шахтных стволов на Верхнекамском месторождении калийных солей, рассмотрен способ борьбы с водопроявлениями в тюбинговых крепях шахтных стволов методом нагнетания гидроактивного пенополиуретана, показан промышленный опыт применения рассматриваемого метода и полученные положительные результаты.
Ключевые слова: шахтный ствол, тюбинговая крепь, гидроизоляция, цементный раствор, полиуретановые смолы.
При подземной разработке соляных и калийных месторождений необходимым условием безопасной эксплуатации залежей полезного ископаемого является надежная изоляция горных выработок от проникновения в них подземных и поверхностных вод и рассолов. Благодаря легкой растворимости солей, движение проникающих вод и рассолов в рудник происходит по трещинам в соленосных и вмещающих породах, а также по геологоразведочным и замораживающим скважинам. Такое движение способствует образованию новых и расширению имеющихся трещин до размеров пустот и карстовых полостей, что может явиться причиной значительных осложнений при разработке соляных месторождений. Недооценка опасности водо- и рассолопроявлений нередко приводит к катастрофическим последствиям [1].
Верхнекамское месторождение калийных солей является одним из крупнейших в мире по запасам калийных и магниевых солей. Добычу и переработку калийных руд на месторождении осуществляет крупнейшее предприятие - ОАО «Уралкалий». Особенностью геологического строения продуктивной толщи, а также высокая обводненность пород надсолевого
комплекса сразу выделило месторождение в разряд сложных по горногеологическим условиям, освоения и эксплуатации.
В процессе освоения Верхнекамского месторождения калийных солей в период с 1930 по 1936 гг. на месторождении было пройдено пять шахтных стволов. Четыре из них проходились с замораживанием обводненных пород надсолевого комплекса. Во время проходки нередки были значительные водопритоки на забой ствола, достигавшие 130 м /час. Учитывая неоднородность соляного массива, высокую обводненность и наличие рассолов, были предприняты попытки поиска материалов, способных длительное время работать в условиях обводнения рассолами высокой насыщенности солями К и М^. При возведении крепи стволов использовались различные вяжущие в соответствии с составом пород каждого конкретного интервала. При этом были опробованы доменный цемент и портландцемент, шлако-портланд цемент, магнезиальный цемент и множество различного рода «корректирующих» добавок.
Для успешной работы предприятий в подобных условиях предъявляется комплекс требований к герметичности крепи шахтных стволов на протяжении всего периода их эксплуатации.
Основным средством подавления водопритоков в процессе строительства и эксплуатации шахтных стволов служило нагнетание (тампонаж) цементного раствора под давлением, превышающим гидростатическое, для конкретного (данного) участка. Подача тампонажного раствора производилась либо на контакт «бетонная рубашка крепи ствола - породный массив», либо внутрь породного массива с целью его уплотнения.
В первом случае происходило оттеснение подземных вод от крепи ствола, что уменьшало дебит водопритока, а во втором уменьшение дебита водопритока достигалось уплотнением части породного массива, перекрытием или ликвидацией путей поступления подземных вод к крепи ствола.
Основа тампонажных растворов могла быть различной в зависимости от геологического строения околоствольного массива и химического состава подземных вод.
Все попытки повысить эффективность гидроизоляционных работ при использовании цементных растворов за счет совершенствования рецептуры растворов и технологии выполнения тампонажа до настоящего времени не дали ожидаемого эффекта.
К недостаткам применения твердеющих тампонажных составов на основе цементов относится следующее:
- высокая стоимость тампонажных материалов;
- хрупкость и низкая пластичность затвердевшего материала;
- низкая проникающая способность;
- значительные затраты времени на разбуривание тампонажных шпуров;
- необходимость выполнения работ по нагнетанию тампонажного раствора в обводненные горные породы в несколько технологических приемов с перерывами для твердения раствора;
- низкая эффективность при изоляции крупных трещиноватых обводненных зон;
- ограничение давления при нагнетании раствора, которое определяется прочностью крепи и гидростатическим давлением напора воды в окружающих породах.
Многолетняя практика применения цементных растворов для гидроизоляции закрепного пространства, доказала свою малую эффективность.
В практике обслуживания шахтных стволов рудников ОАО «Урал-калий» в последние годы были предприняты попытки достичь герметичности крепи на локальных участках, используя синтетические материалы, применение которых не требует давления нагнетания выше гидростатического для конкретного участка.
Поисковые исследования, опробование новых технологических способов борьбы с водопроявлениями были проведены в производственных условиях, непосредственно в стволах рудников. При этом использовались многокомпонентные смолы на основе полиуретанов, обладающие высокой проницаемостью и пластичностью.
Следует отметить, что характерной особенностью полиуретановых смол заключается в том, что вода (или рассол), используется в качестве второго реагента, необходимого для протекания реакции гелеобразования гидроактивного полимера. Таким образом, при взаимодействии с водой закачиваемый за крепь гидроизоляционный материал способен увеличиваться в объеме до 10 раз, за короткий промежуток времени (в течение 1,5-8 минут), образуя упруго-эластичный водонепроницаемый пенополиуретан, устойчивый к действию большинства растворителей, кислот и щелочей.
Рассмотрим несколько примеров применения пенополиуретана.
Пример 1
В 2008 году в стволе № 1 рудника БКПРУ-4. Здесь, в качестве эксперимента, были проведены работы по восстановлению герметичности дефектного тюбинга № 3 (тюбинговое кольцо № 26, глубина 43 м) смолами на полиуретановой основе марки «Флекс Кат» (Бельгия). Поводом для проведения работ стало интенсивное просачивание воды через спинку тюбинга в нескольких кессонах, рис. 1.
Для разработки и выполнения мероприятий было приглашено ООО СК «Альфа» (сегодня ООО «Триада-Холдинг Урал»). Были разработаны мероприятия по локализации водопроявлений и усилению стенок дефектного тюбинга. Для обработки водообильного горизонта специалистами ООО СК «Альфа» предложено применить смолы на основе пенополиу-
ретана марки «Флекс Кат» (Бельгия). Весь комплекс работ был выполнен в два этапа:
- оттеснение воды с помощью нагнетания гидроактивного пенополиуретана в затюбинговое пространство ствола через тампонажное отверстие тюбинга № 3;
- усиление конструкции тюбинга с помощью композиционных материалов (углепластиковые холсты).
Рис. 1. Места водопроявлений через стенки кессона № 1 и № 3тюбинга № 3 тюбингового кольца № 26 ствола № 1 рудника
БКПРУ-4
При нагнетании пенополиуретана за тюбинг № 3 выход материала отмечался через трещины в кессонах тюбинга, а распространение материала по периметру достигло тюбинга № 10. В итоге общий объем закачанной смолы (ППУ) составил 165 литров, что в пересчете на объем заполненных пустот равняется 1,15 м .
Работы по усилению конструкции «дефектного» тюбинга были выполнены с помощью композиционных материалов на углепластиковой основе (углепластиковые холсты), рис. 2.
Рис. 2 Усиление спинки тюбинга № 3 композиционным материалом ствола № 1 рудника БКПРУ-4 (2008 год)
Пример 2.
Похожая ситуация наблюдалась в стволе № 2 СКРУ-1. Здесь длительное время наблюдалась просачивание грунтовых вод через трещины в спинке тюбинга № 10 тюбингового кольца № 22. Положение осложнялось тем, тюбинговое кольцо граничит с пикотажным швом, т.е. повышение давления при нагнетании тампонажного материала следовало ограничить. Попытка установить дополнительный металлический экран также не имела успеха. Поэтому было принято решение выполнить гидроизоляцию с использованием полиуретановых смол выполняемой компанией ООО «Трейд-Инжиниринг». В результате выполнения работ было просверлено 12 отверстий, диаметром 11 мм, в которые последовательно снизу-вверх производили инъекцию пенополиуретановых смол. Работы производились до полного прекращения водопрявления и появления в соседних шпурах материала, давление на насосе не превышало 0,5 МПа. В результате выполнения гидроизоляционных работ была обеспечена полная герметизация тюбинга № 10 тюбингового кольца № 22.
Пример 3.
Очередной опыт борьбы с водопроявлением смолами на основе пенополиуретана был использован в стволе № 1 рудника БКПРУ-4 при подавлении «высаливания» в интервале залегания пород переходной пачки. Работы выполнялись ООО «Триада-Холдинг Урал». Ввиду сложности сложившейся ситуации выполнен был лишь первый этап работы. Дело в том, что в проекте проходки ствола была принята безводность пород переходной пачки, что исключило обработку (тампонирование) этого интервала при подготовке к проходке ствола. Однако еще до начала эксплуатации ствола вынужденно были проведены работы по подавлению водопроявле-ний через крепь в этом интервале сульфатостойким портландцементом.
Позднее тампонажные работы сульфатостойким портландцементом проводились с интенсивностью раз в 7-8 лет, общее поглощение тампонажного раствора в переходной пачке составило свыше 400 м . Однако, несмотря на значительные объемы поглощения в переходной пачке тампонажного материала, процессы вымывания соли из-за затюбингового пространства продолжались.
Для подавления водопритоков через крепь вертикального ствола специалистами ОАО «Галургия» предложено провести дополнительные мероприятия по заполнению возможных пустот гидроактивным пенополиуретаном в контакт между тюбинговой крепью и бетонной рубашкой. Работы по нагнетанию ППУ (пенополиуретан) в закрепное пространство ствола проводили специалисты ООО «Триада-Холдинг Урал» (г. Екатеринбург).
Из-за малого количества пригодных для использования тампонаж-ных узлов (пробок) для нагнетания было использовано всего пять точек нагнетания гидроактивного пенополиуретана за тюбинги:
- тюбинговое кольцо № 243, тюбинги № 4;
- тюбинговое кольцо № 241, тюбинги № 11;
- тюбинговое кольцо № 240, тюбинги № 2 и №12;
- тюбинговое кольцо № 239, тюбинг № 2;
Максимальное давление при нагнетании не превышало 1 МПа.
Общий объем закачанного материала в нагнетательные шпуры, со-
-5
ставил 437,5 литров (или в пересчете на заполненные пустоты около 7 м ). Схема производства работ по герметизации крепи на этом интервале представлена на рис. 3.
Второй этап работ в вышеуказанной зоне крепи ствола был произведен в ноябре 2013 г. Принцип производства работ второго этапа был схож с первым этапом - нагнетаемый материал состоял из двух компонентов, нагнетание производилось на контакт тюбинг-бетон, максимальное давление при нагнетании не превышало 1 МПа.
Всего пенополиуретан нагнетался в 19 точек. Общий объем закачанного гидроактивного материала на втором этапе составил 1432 л. Схема нагнетания представлена на рисунке 4.
После проведения работ по герметизации тюбинговой крепи в интервале залегания переходной пачки было проведено визуальное обследование участка работ крепи, которое не выявило признаков рассолопрояв-лений на исследуемом участке тюбинговой крепи.
Проведенное обследование позволяет оценить эффект от производства работ по герметизации тюбинговой колонны ствола № 1 в интервале переходной толщи как положительный.
Т.к.238 Т.к.239 Т.к.240
ПШ
Т.к.243
Условные обозначения:
точка нагнетания пенополиуретана точка выхода пенополиуретана тюбинг № 2
тюбинговое кольцо № 239 пикотажный шов
Рис. 3. Схема герметизации крепи ствола № 1 БКПРУ-4, 2011 год
Т.к.238 Т.к.239 Т.к.240
ПШ
Т.к.243
Т.к.245
Т.к.247
Т.к.249
Условные обозначения: 2§о- точка нагнетания пенополиуретана, • объем пенополиуретана, л
- точка выхода пенополиуретана 2 - тюбинг № 2
- тюбинговое кольцо № 239 ПШ - пикотажный шов
Рис. 4. Схема герметизации крепи ствола № 1 рудника
БКПРУ-4, 2013 год
В целом, рассмотренные примеры опытно-промышленного применения полиуретановых смол позволяют сделать выводы об успешном опыте применения рассматриваемых материалов для достижения целей герметизации тюбинговых крепей шахтных стволов калийных рудников на Верхнекамском месторождении калийных солей.
Список литературы
1. Ольховиков Ю.П. Крепь капитальных выработок калийных и соляных рудников. М.: Недра, 1984. 238с.
250 1 ^
12,5 |12 1 1
1 |2 ^ ........................... Г<
1 I7 I 1 |1Г* 1
0
1 1 1 5 * 1 1 1 1 1 1 1 1 1
250
2
Т.к.239 -ПШ -
Тарасов Владислав Викторович, заведующий горной лабораторией, Tarasov@gallurgy.т, Россия, Пермь, ОАО «Галургия»,
Пестрикова Варвара Сергеевна, ведущий инженер горной лаборатории, Tarasov@gallurgy.т, Россия, Пермь, ОАО «Галургия»
EXPERIENCE OF USING POLYMERIC RESINS FOR WATERPROOFING MINING
SHAFTS OF POTASSIUM MINES
Vladislav V. Tarasov, Varvara S. Pestrikova
Specifics of advancing and exploitation mining shafts at Verhnekamskoe Potassium Mineral Deposit were characterized at the paper. Method of fight against water-developments in tubing links of mining shafts by supercharging hydro-active polymeric resins was considered. Industrial experience of using this method and beneficial effect were shown.
Key words: mining shaft, tubing link, waterproofing, cement solution, polymeric resins.
Vladislav V. Tarasov, chief of the mining laboratory, Tarasov@gallurgy.ru, Russia, Perm, «Galurgia» OJSC,
Varvara S. Pestrikova, senior engineer of the mining laboratory, Tarasov@gallurgy.ru, Russia, Perm, «Galurgia» OJSC
УДК 622.281
ГЕОТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГНОЗ УСТОЙЧИВОСТИ ОПОЛЗНЕОПАСНОГО ГЛИНИСТОГО СКЛОНА В УСЛОВИЯХ НОВОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
Н.И. Прохоров, А.В. Корнеев
Приведены результаты исследования устойчивости глинистого склона, находящегося в зоне влияния нового строительства. Изучена чувствительность устойчивости глинистого склона к внешним факторам. Приведены результаты вычислительных экспериментов.
Ключевые слова: оползень, грунт, устойчивость, склон, строительство, математическая модель.
Оползни представляют угрозу для всех видов инженерных сооружений. В черте города оползни опасны для зданий и магистралей, расположенных на склонах или вблизи них. Известны многочисленные случаи повреждения оползнями промышленных объектов.
