CC BY
147
© П.Н. Должиков, С.Г. Страданченко, А.А. Шубин, 2005
УДК 622.257.1
П.Н. Должиков, С.Г. Страданченко, А.А. Шубин
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ТАМПОНАЖУ И ЗАКЛАДКЕ ПОДЗЕМНЫХ ПУСТОТ
Семинар № 3
Уплотнение скальных трещиноватых, и в том числе закарстован-ных, пород может выполняться многими, весьма разнообразными способами, к которым относятся: цементация, глинизация, битумизация, силикатизация, а также замораживание. Иногда эти способы комбинируются. Каждый из способов имеет свои особенности и область применения, зависящую главным образом от природных факторов. Изучение этих факторов необходимо для выбора наиболее эффективного способа уплотнения как в техническом отношении (снижение водопроницаемости и повышение прочности пород), так и в экономическом (дешевизна, скорость и простота производства работ, дефицитность ингредиентов и т.п.).
Одним из наиболее эффективных способов, используемых в сложных горногеологических условиях, на разных этапах функционирования предприятия является тампонаж на основе глиноцементных растворов, проводимый по комплексному методу [1]. Разработанный учеными научной школы ГОАО "Спецтампонажгеоло-гия" под руководством доктора технических наук, профессора Э. Я. Кипко, он успешно применяется как для борьбы с во-допритоками, так и для заполнения подземных пустот в период ликвидации выработок и закрытия шахт. Комплексный метод тампонажа предусматривает использование новейших достижений науки и техники в области проведения гидродинамических исследований водоносных горизонтов, проведение инженерно-
го расчета всего процесса тампонажа, применение экологически чистых и дешевых глиноцементных тампонажных растворов с различными реагентами -структурообразователями.
При тампонаже с поверхности земли работы выполняют в следующей последовательности. Вначале маркшейдер переносит проекции места заполнения и оси горной выработки на земную поверхность. Далее намечают точки для заложения тампонажных скважин, после чего подводят к ним электроэнергию и воду, затем устанавливают буровое оборудование и одновременно завозят необходимые для бурения материалы. Оборудование (при цементации и комплексном методе тампонажа - цементационное) устанавливают в процессе бурения тампонажных скважин. После установки бурового станка им сначала бурят скважину под кондуктор, затем производят ее обсадку трубами и тампонаж затрубного пространства, по окончании которого ведут бурение тампонажной скважины до конечной глубины.
Нагнетание в скважины тампонажного раствора выполняется без перерыва до закачки всего проектного объема или до прекращения его поглощения скважиной при нагнетании тампонажного раствора в объеме меньше проектного. Схема приготовления и нагнетания тампонажного раствора в буровую скважину при ликвидации внезапного прорыва воды в горную выработку показана на рис. 1.
Главными геологическими и гидрогеологическими факторами, влияющими на условия уплотнения трещиноватых и за-карстованных пород, являются:
а) особенности трещиноватости (размеры, характер распределения и взаимосвязи, извилистость, выдержанность простирания, шероховатость стенок трещин и т.п.);
б) состав, состояние и количество заполнителя;
в) действительные скорости движения подземных вод, их химический состав и температура.
Поскольку искусственное уплотнение и естественная водопроницаемость скальных пород зависят от степени и характера трещиноватости, а также особенностей заполнения трещин, казалось бы, между
Рис. 1. Схема нагнетания тампонажного раствора в скважину: 1 -
смесительная машина; 2 - цементационный агрегат; 3 - емкость для цементного раствора; 4 - нагнетательный трубопровод; 5 - направляющая обсадная труба; 6 - тампонажная скважина; 7 - горная выработка; 8 - место прорыва воды
этими двумя свойствами все-
гда должна существовать если и не полная, то достаточно очевидная связь; однако это далеко не всегда так. Главные причины следующие:
а) различие в размерах и прочих свойствах трещин, вследствие чего одна и та же водопроницаемость (удельное водопоглощение) может быть обусловлена и небольшим числом крупных трещин и множеством тонких;
б) различная проникае-мость (вязкость, густота) цементного раствора;
в) не идентичность технологии инъекционных работ,
методики опытных нагнетаний (разные напоры и продолжительность опытов) и техники бурения (кольматаж буровым шламом).
Для оценки эффективности уплотнения пород тем или иным способом очень важны визуальные наблюдения за прониканием уплотняющего вещества в породу, осуществляемые в смотровых скважинах-шахтах, шурфах и при проходке строительного котлована. Наибо-лее характерные формы проникания цементного раствора показаны на рис. 2.
Интересно, что этот раствор, уплотняя глинистый заполнитель, отжимал его от стенок трещин и каверн, образуя при этом корочки цементного камня. Очень часто цементный раствор проникал и внутрь
а) 6)
Рис. 2. Типичные примеры проникания цементного раствора в различные породы:
а — элювий; б — трещины; в — каверны; г — глины; 1 — известняк; 2
— элювий известняка; 3 — суглинистый заполнитель трещин и каверн; 4— глина; 5 — щебень известняка; 6 — цементный камень; 7
— зацементированный ствол скважины
рыхлого глинистого заполнителя, по-видимому, по трещинам в нем.
Контроль качества строительного уплотнения пород должен рассматриваться как своеобразный метод инженерногеологических исследований. Основная, т. е. массовая проверка уплотнения выполняется бурением и гидравлическим опробованием (зонные нагнетания и откачки) скважин малого диаметра. Однако этот способ нельзя считать достаточным; он должен обязательно дополняться опорными смотровыми скважинами или шурфами, позволяющими производить осмотр уплотненной породы, определять прочность уплотнителя, характер его распределения в породе и т. п.
Своеобразным типом завес являются подземные стенки, сооруженные из сопрягающихся бетонных свай, устроенных
путем бурения скважин большого диаметра (600—1220 мм).
Такие завесы применяют в случае очень сильной закар-стованности пород с заполнением карстовых полостей суффозионно-неус-тойчивым рыхлым грунтом, препятствующим выполнению обычной цементации. Кроме про-тивофильтрационного назначения, такие за-весы-стенки иногда используют в качестве фундаментов.
При ликвидации крупных и катастрофических прорывов воды в горные выработки при затоплении последних применяют подводное бетонирование. К нему приступают только после полного затопления горных выработок и прекращения по ним циркуляции воды. В противном случае не гарантируется необходимого качества сооружения подводной водонепроницаемой перемычки. В отличие от обычной, ее сооружают в более тяжелых условиях, под водой в затопленных выработках по буровым скважинам с поверхности земли (рис. 3). Конструкции скважин отличаются простотой и зависят от расположения перемычек, формы поперечного сечения горных выработок и технологии производства работ по их сооружению.
Подводный бетон, применяемый для сооружения подводных перемычек, должен гарантировать успешную ликвидацию
аварий — внезапных прорывов воды в горные выработки, в связи с чем к его подбору должны предъявляться более жесткие требования по сравнению с обычными бетонами, укладываемыми насухо. Необходимость более жестких требований к подводным бетонам также вызывается более тяжелыми условиями укладки и твердения бетонов под водой, невозможностью контроля процесса укладки и твердения бетона непосредственно под водой и меньшей прочностью подводного бетона по сравнению с обычным бетоном того же состава, укладываемым насухо.
В результате лабораторных и экспериментальных исследований установлено, что подводные бетоны по сравнению с обычными бетонами, укладываемыми насухо, того же состава обладают большей плотностью и водонепро-ницаемостью и вместе с тем меньшей прочностью.
Рис. 3. Схема сооружения водонепроницаемой перемычки с помощью подводного бетонирования: 1
— буровые скважины; 2 — подводные перемычки; 3 — место прорыва воды
Для закрытия притоков воды из прорывов в затопленные горные выработки могут применяться следующие способы подводного бетонирования:
укладка готового бетона с поверхности земли под воду с помощью вертикально перемещающихся труб; раздельная укладка с поверхности под воду по трубам сначала гравия, а затем заполнение в нем пустот восходящим цементным раствором.
Обычным недостатком работ по ликвидации пустот является то, что выполнение их не приспосабливается должным образом к особенностям инженерно-геологических условий, не корректируется на ходу в соответствии с результатами контрольных исследований, о которых только что указывалось. Вместо того чтобы последовательно и полностью отрабатывать завесу отдельными звеньями длиной по 15—20 м, проверяя качество уплотнения каждого звена и уточняя по этим данным технологию производственного процесса, в настоящее время господствует соблюдение чисто экономических интересов в ущерб технологическим. Работы по устройству завес выполняются сразу на участках, протяженностью в несколько десятков, а иногда и сотен метров, причем сначала на них выполняется вся первая очередь уплотнения, затем вся вторая и т.д. При таком способе производства работ о попутном уточнении их качества не может быть и речи. К этому можно добавить, что гидравлическое опробование контрольных скважин выполняется очень
примитивно, вследствие чего его результаты часто несопоставимы с данными предыдущих исследований.
В заключение необходимо отметить, что решающая оценка качества противо-фильтрационных мероприятий и, в частности, завес может быть представлена
только по данным наблюдений за пьезометрическими скважинами, характеризующим как работу самой завесы — по перепаду уровней на ней, так и общий режим фильтрационного потока в области обходной фильтрации.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Комплексный метод тампонажа при строительстве шахт / Э.Я. Кипко, Ю.А. Полозов, О.Ю. Луш-никова и др. - М.: Недра, 1984. - 280 с.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------
Должиков П.Н. - доктор технических наук, профессор, Донбасский горно-металлургический институт, г Алчевск, Украина,
Страданченко С.Г. - доктор технических наук, доцент,
Шубин А.А. - кандидат технических наук, доцент,
Шахтинский институт Южно-Российского государственного технического университета (НПИ).
------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ЗУБКОВ Виктор Васильевич Разработка методов математического моделирования напряженного состояния массива горных пород для выделения опасных зон при отработке пластовых месторождений 25.00.20 д.т.н.
ХАРЧЕНКО Алексей Викторович Эколого-экономическое обоснование использования подземного пространства для развития городской транспортной инфраструктуры 08.00.05 д.э.н.
ШЕВЫРЕВ Юрий Вадимович Обоснование и повышение энергетических показателей регулируемых электроприводов буровых установок 05.09.03 д.т.н.
