CC BY
9
УДК 556.3.02 DOI 10.46689/2218-5194-2021-4-1-341-351
ОПЫТ ТАМПОНИРОВАНИЯ ШАХТНОГО СТВОЛА В УСЛОВИЯХ
ПРОЯВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ
АКТИВНОСТИ
Т.Ш. Далатказин
Представлены результаты исследований результативности водоподавления в стволе шахты с использованием тампонажа. Вмещающий скальный горный массив характеризуется простыми гидрогеологичекими условиями и умеренным проявлением современной геодинамической активности. Несмотря на значительный объем выполненных тампонажных мероприятий, получить положительный результат не удалось вследствие недоучета современных геодинамических процессов при выборе тампонажных материалов. В условиях геодинамически активного горного массива тампонажный материал должен сохранять пластичность в течение всего срока эксплуатации.
Ключевые слова: горный массив, водопритоки, тампонаж, современнная геодинамическая активность.
Введение
Обводненность горных пород является одним из факторов, осложняющих проходку вертикальных стволов шахт и определяется для скальных и полускальных горных пород, как правило, трещиноватостью, пористостью или закарстованностью.
Для предупреждения притоков подземных вод в шахтные стволы применяется тампонаж - искусственное заполнение трещин и полостей в горных породах различными тампонажными материалами через скважины под давлением. Необходимость выполнения водоподавления с применением тампонажных мероприятий определяет интенсивность водопритоков в выработку из вмещающего горного массива.
Заполнение пустот и трещин тампонажным материалом в породах препятствует миграции воды, и после его затвердевания водопроницаемость массива значительно уменьшается, что создает приемлемые гидрогеологические условия [1, 2].
Анализ практики тампонажных работ, выполненных для подавления водопритоков в подземные горные выработки в скальных горных массивах, показывает, что сохранение достигнутых гидроизоляционных параметров имеет непродолжительный характер.
С целью определения причин непродолжительности эффекта от водоподавления с использованием тампонажа Институтом горного дела УрО РАН были выполнены исследования гидрогеологических и геомеханических особенностей массива горных пород, вмещающего ствол «Скиповой» шахты.
Массив горных пород, вмещающий ствол «Скиповой», сложен метаморфическими скальными породами, по составу и свойствам которых делится на две части.
До глубины 910 м массив представлен преимущественно габбро, амфиболитами, габбро-амфиболитами.
На глубине 910 м происходит смена пород на трещиноватые серпентиниты - гипербазиты (по дуниту, перидотиту) [3].
До глубины 1010 м крепь в стволе выполнена железобетонными кольцами.
Тампонажные мероприятия выполнялись в интервале глубин 68,0 -307,0 м.
Умеренная геодинамическая активность и значительная мощность устойчивых к выветриванию габбро-амфиболитов определили местоположение ствола «Скиповой».
Для вмещающего породного массива ствола «Скиповой» характерны особенности и закономерности формирования напряженно-деформированного состояния
Установлено:
-наличие активных современных геодинамических процессов, включающих трендовые и короткопериодные цикличные смещения и деформации в массиве горных пород на территории шахты;
- наличие в поле напряжений горизонтальной тектонической компоненты, которой согласно общепринятым представлениям в трещиноватых массивах быть не должно.
Вследствие блочно-иерархического строения, характерного для массивов скальных горных пород рудных месторождений, важную роль в формировании напряженно-деформированного состояния массива играют взаимные перемещения структурных породных блоков [11].
Трендовые смещения здесь не превышают 75 мм. Для оценки геодинамической активности породного массива на участке заложения ствола «Скиповой» были проанализированы результаты замеров смещений 40 ре-перных пунктов на поверхности всего шахтного поля и в его окрестностях, ранее полученные методами спутниковой геодезии с использованием двух-системных (GPS-ГЛОНАСС) двухчастотных приемников геодезического класса Sokkia GRX-1 (паспортная и фактическая точность 3-5 мм+1 ррт в плане и 5-7мм +1 ррт по высоте). Представленные геодинамические характеристики свидетельствуют о более низкой геодинамической активности участка ствола «Скиповой» относительно соседних блоков породного массива [4; 5; 6; 7; 8; 9; 12; 13].
В гидрогеологическом отношении шахтное поле характеризуется развитием в зоне влияния горных работ трех водоносных комплексов:
- техногенного, приуроченного к отвалам пустых пород;
- палеоген-мелового, связанного с породами осадочного чехла;
- нижнего - трещинных вод скальных метаморфизованных пород палеозойского фундамента.
Водоносный комплекс скальных метаморфизованных пород палеозойского фундамента является основным, участвующим в обводнении шахтного поля шахты. По режиму уровня и гидродинамике этот водоносный горизонт является безнапорным, тесно связанным с инфильтрацией в трещиноватый массив атмосферных осадков.
Горный массив шахтного поля относится к зоне активного водообмена. Амплитуда колебаний уровня воды в течение года изменяется от 2,7 до 6,6 м. Колебания уровней подземных вод имеют сезонный характер.
Питание потока подземных вод в пределах шахтного поля происходит за счет естественного потока, поступающего из-за пределов рассматриваемой площади и за счет инфильтрации атмосферных осадков.
Обводнение шахтного поля связано с трещинным водоносным комплексом, обладающим сравнительно низкими и весьма неоднородными фильтрационными свойствами, но имеющим высокие (до 400...500 метров) гидростатические напоры, при которых возникает опасность повышенных водопритоков в горные выработки, связанных с подсечением обводненных зон, приуроченных к тектоническим нарушениям, или с областями первичной повышенной трещиноватости.
Исследование эффективности водоподавления в стволе с помощью тампонажных работ оценивалась на основании анализа данных режимных наблюдений за водопритоками в ствол из вмещающего горного массива. Рассматривались данные по водопритокам за периоды до тампонажных работ, в период выполнения тампонажных работ и в период после их завершения.
Кроме того, с целью определения геомеханического состояния при-контурного горного массива была исследована его поглощающая способность при проведении тампонажа.
В ходе строительства ствола «Скиповой» выполнялись инъекционные тампонажные работы - опережающий в забой при проходке и в закреп-ный породный массив с использованием полимерного материала. При этом до глубины 108,0 м водопритоки изменялись в пределах 1,0.14,0 м /час. Далее в интервале глубин забоя 115,0.136,0 м водоприток составлял 24.30 м3/час (табл. 1) .
Таблица 1
Значения водопритоков при проходке ствола «Скиповой »_
№ п/п Н абс., м Глубина, м Приток воды, м3/ч Дата замера
1 +353,2 34 1,0 25.11.2010г
2 +347,2 40 1,0 15.09.2015г
3 +332,95 54,25 2,5 15.10.2015г
4 +326,2 61,0 14 20.11.2015г
5 +322,2 65,0 1,5 19.01.2016г
6 +279,2 108,0 2,5 25.03.2016г
7 +272,2 115,0 27,0 25.05.2016г
8 +258,2 129,0 24,0 08.12.2017г
9 +251,2 136,0 27,0 20.12.2017г
10 +242,2 145,0 10,0 11.01.2018г
11 +231,95 156,25 7,5 18.01.2018г
12 +217,95 169,25 5,0 11.02.2018г
13 +210,2 177,0 8,0 16.02.2018г
14 +194,95 192,25 8,0 12.03.2018г
15 +188,95 198,25 7,5 16.03.2018г
16 +182,95 204,25 7,3 18.03.2018г
17 +176,95 210,25 7,8 22.03.2018г
18 +165,2 222,0 9,5 21.04.2018г
19 +122,95 264,25 5,2 01.07.2018г
20 +98,95 288,25 5,6 23.07.2018г
21 +91,95 295,25 5,5 23.07.2018г
22 +38,2 349,0 6,8 11.10.2018г
23 +20,2 367,0 3,5 29.10.2018г
24 -6,8 394,0 3,6 06.12.2018г
25 -261,8 649,0 3,5 05.06.2019г
26 -339,8 727,0 4,0 02.08.2019г
27 -380,8 768,0 9,0 02.09.2019г
28 -430,8 818,0 8,0 04.10.2019г
29 -488,8 876,0 9,2 12.11.2019г
Данные значения водопритоков сохранялись с мая 2016 г. по декабрь 2017 г. и являлись максимальными из зафиксированных в стволе «Скиповой». С 23.12.17 г. по 29.12.17 г. в интервале глубин 109,0...128,0 м были выполнены инъекционные тампонажные работы. Общий объём использованного в данном интервале тампонажного материала в декабре 2017 г. составил 21772 л. После выполненных тампонажных работ наблюдалось резкое снижение объёмов водопритока (табл.1, рис.1). Так, 11.01.18 г. при глубине забоя 145 м водоприток составил 10 м /час, 18.01.18 г. на глубине
156 м водоприток составил 7,5 м /час. Среднемесячный водоприток за ян-
3 3
варь 2018 г. составил 7,5 м /час, за мфевраль - 8,0 м /час, за март - 8,0 м /час, за апрель - 10,0 м /час.
Таким образом, после выполненных тампонажных работ наблюдается тенденция постепенного увеличения водопритоков.
Таблица 2
Среднемесячные значения водопритоков в ствол «Скиповой» _в период с октября 2017 г. по февраль 2020 г._
№ пп. Месяц, год Среднемесячный водоприток м3/час
1 Октябрь, 2017г. 30,0
2 Ноябрь, 2017г. 30,0
3 Декабрь,2017 г. 28,0
4 Январь, 2018 г. 7,5
5 Февраль, 2018 г. 8,0
6 Март, 2018 г. 8,0
7 Апрель, 2018 г. 10,0
8 Май, 2018 г. 7,5
9 Июнь, 2018 г. 8,0
10 Июль, 2018 г. 5,5
11 Август, 2018 г. 5,5
12 Сентябрь, 2018 г. 6,2
13 Октябрь, 2018 г. 6,8
14 Ноябрь, 2018 г. 3,2
15 Декабрь, 2018 г. 3,6
16 Январь, 2019 г. 3,7
17 Февраль, 2019 г. 4,2
18 Март, 2019 г. 4,6
19 Апрель, 2019 г. 4,6
20 Май, 2019 г. 3,6
21 Июнь, 2019 г. 3,5
22 Июль, 2019 г. 3,8
23 Август, 2019 г. 4,0
24 Сентябрь, 2019 г. 3,7
25 Октябрь, 2019 г. 8,0
26 Ноябрь, 2019 г. 9,2
27 Декабрь, 2019 г. 9,2
28 Январь, 2020 г. 8,5
29 Февраль, 2020 г. 8,5
В период с апреля по октябрь 2018 г в интервале глубин ствола 68,0.307,0 м были продолжены работы по последовательному тампонажу закрепного пространства. Всего в этот период в массив инъектировано 114971 л тапонажной смеси. При выборе глубин для инъектирования использовалась информация о фактическом положении водообильных зон в период проходки ствола и результатов визуальной оценки интенсивности водопритоков через бетонную крепь.
35
30
2 25
ю
^ 20 Я о н я о. с о ч о со >8
15
10
Я 5
я
£ ог и и
г
к
я
Ч о
а.
и
гч^^г-хаооооохоохооооооооооххмОмх^ЛФФО^Ом^ФФО^ФФООо
Ё Ё о О О X
к а со со ш а. о.®
Я И « 5 « « о йй а.« Я^яяяЬ«^шо=со н
Время, (год, месяц)
Рис. 1. Распределение среднемесячных значений водопритоков в стволе «Скиповой» шахты
В период проведения данного этапа тампонажных работ наблюдалось снижение среднемесячных водопритоков с 10,0 м /час за апрель 2018 г.
3 3
до 6.8 м /час за октябрь, а в ноябре, после завершения этапа - до 3,2 м /час. Однако далее среднемесячные водопритоки начали увеличиваться и уже в
"5
ноябре 2019 г. составили 9,0 м /час (табл. 2, рис. 1).
Для тампонирования использовался полимерный состав, имеющий следующие прочностные характеристики после застывания:
- прочность при сжатии при свободном боковом расширении после активации через 1 час - 11,0 Мпа, через 24 часа - 24,0 Мпа, через 28 суток -30 Мпа;
- предел прочности на разрыв через 28 суток после активации составляет 10,0 Мпа;
- предел прочности при сдвиге через 28 суток после активации составляет 34 МПа.
При этом материал не обладает пластичностью, необходимой для заполнения новых трещин и полостей, формирующихся уже после тампонажа под влиянием современной геодинамики [10, 14].
Таблица 3
Среднегодовые значения водопритоков в ствол «Скиповой» шахты
№ пп. Год Среднегодовой водоприток Уср..год., м3/час
1 2017 Более 25
2 2018 5,2
3 2019 7,8
4 2020 8,9
5 2021 9,3
О Ч-1-1-1-1-1-1
2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022
Время, год
Рис. 2. Распределение среднегодовых водопритоков в ствол «Скиповой»
2-й очереди шахты
Информация о среднегодовых водопритоках в ствол (табл. 3, рис. 2) показывает, что после выполненных тампонажных мероприятий значения объемов поступающей воды резко снижаются, но через непродолжительное время начинают увеличиваться.
Несмотря на простые гидрогеологические условия и умеренную геодинамическую активность, эффект от выполненных тампонажных мероприятий имеет кратковременный характер, так как примененный тампонажный материал не имел необходимых реологических характеристик.
С целью изучения геомеханического состояния приконтурного массива ствола проанализирована дифференциация поглощения тампонажного материала приконтурным массивом.
Согласно технологии величина давления подачи тампонажного материала изменяется в процессе выполнения работ только на величину изменения гидростатического давления. Объем его поглощения определяется
проникающей способностью локального участка массива и зависит от характеристик трещиноватости.
Построена диаграмма зависимости распределения поглощенной там-понажной смеси по глубине в период апрель - май 2018 г. (рис. 3).
Согласно распределению тампонажного материала в закрепном пространстве (в интервале развития габбро-амфиболитов) по глубине наблюдается дифференциация породного массива ствола по параметрам трещиноватости (степень трещиноватости, раскрытие трещин, наличие заполнителя), определяющим условия миграции воды. В соответствии с этим интервал глубин ствола 110,0.. .137,0 м характеризуется наибольшим поглощением тампонажного материала и совпадает с участком наибольших водопритоков (до 30 м /час), вскрытым и затампонированным в период проходки ствола (рис. 3). В 2018 г. этот интервал пришлось тампонировать повторно.
Объем тампонажной смеси, л
0 200 4Ю 600 800 IÛOO 1300 1400 1600 [ 800 2000 2200 240О 2600 2800 .1000 2200 2400 1600 1800 4000 4200 4400 4600 4800 5Ю0
Рис. 3. Распределение тампонажной смеси, поглощённой приконтурным массивом ствола
Участки сжатия характеризуются отсутствием водопроявлений. Межблочные зоны здесь находятся в сомкнутом состоянии. Поэтому, например, в интервале глубин 233,0.252,0 м не было необходимости выполнять тампонирование.
Выводы
Анализ результатов режимных наблюдений за водопритоками в стволе «Скиповой», геомеханического состояния приконтурного массива ствола и выполненных тампонажных работ позволяет сделать следующие выводы.
1. Местоположение и параметры зон повышенной водообильности (водоподводящих каналов) в приконтурном массиве, представленном скальными породами, определяется его геомеханическим состоянием.
2. При выборе тампонажного материала необходимо учитывать его реологические параметры в зависимости от геодинамических характеристик вмещающего горного массива. После инъектирования в породный массив он должен сохранять гидроизоляционные свойства в условиях подвижного массива в течение продолжительного срока.
Исследования выполнены в рамках Госзадания на 2019 - 2021 гг. № 0405-2019 -0007.
Список литературы
1. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология, инженерная петрология. Л.: Недра, 1970. 528 с.
2. Тампонаж обводненных горных пород / Э.Я. Кипко [и др.] М.,
1989.
3. Бакиров А.Г. К геологии Кемпирсайского гипербазитового массива // Известия Томского Ордена Трудового Красного Знамени политехнического института имени С. М. Кирова. 1950. Т. 65. С. 158 - 163.
4. Панжин А.А. , Ручкин В.И., Третьяк А.В. Диагностика современной геодинамической активности массива и исследование процесса сдвижения на шахтах Донского ГОКа // Горный журнал Казахстана. 2014. № 3. С. 32-36.
5. Панжин А.А. Исследование геодинамики породного массива на шахтах Донского ГОКа // Научно-техническое обеспечение горного производства: труды Института горного дела им. Д.А. Кунаева Алматы, 2007. С. 42-48.
6. Балек А.Е., Панжин А.А. Мониторинг деформационных процессов в породном массиве донских хромитовых месторождений: учет влияния иерархической блочности // Современные проблемы механики. 2018. № 33 (3). С. 83-91.
7. Беляев В. Ф., Пястолов А. В. Механические и физико-химические способы укрепления горных пород. М.: Недра, 1967.
8. Айтматов И. Т., Кравцов Б. И., Половов Б. Д. Тампонирование обводненных горных пород в шахтном строительстве. М.: Недра, 1972.
9. Литвин А.З., Поляков Н.М. Проходка стволов шахт специальными способами. М.: Недра, 1974. 250 с.
10. Тарасов В.В, Пестрикова В.С. Опыт применения полиуретано-вых смол для гидроизоляции шахтных стволов калийных рудников // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2014. Вып. 1. С.40 - 47
11. Millimeter-Accuracy Structural Deformation Monitoring Using Stand-
Alone GPS / Yan Bao, Wen Guo, Guoquan Wang [et al.] // Journal of Surveying
Engineering. 2017. Vol. 144.
12. Mirek Adam, Oset Krzysztof. Ocena oddzialywania sejsmicznosci
indukowanej dzialalnosci^ górnicz^ na obiekty budowlane na podstawie
wybranych skal // Prz. gór. 2014. 70. № 6. Р. 49 - 53.
13. Sepehri M., Apel D., Liu W. Stope stability assessment and effect of
horizontal to vertical stress ratio on the yielding and relaxation zones around underground open stopes using empirical and finite element methods // Arch. Min.
Sci. 2017. Vol. 62. № 3. P. 653-669. DOI: 10.1515/amsc-2017-0047.
14. BTS/ABIThe joint code of practice for risk management of tunnel works in the UK. London: BTS, 2003 [Electronic resource]. URL: www.britishtunnelling.org/ (date of access: 21.10.2016).
Далатказин Тимур Шавкатович, канд. техн. наук, зав. лабораторией, 9043846175@mail. ru, Россия, Екатеринбург, Институт горного дела УрО РАН
THE EXPERIENCE OF PLUGGING A MINE SHAFT UNDER CONDITIONS OF MANIFESTA TION OF MODERN GEODYNAMIC ACTIVITY
T.Sh. Dalatkazin
The paper presents the results of studying of the effectiveness of water pressure in the shaft of a mine with the use of grouting are presented. The enclosing rock massif is characterized by simple hydrogeological conditions and moderate manifestation of modern geodynamic activity. Despite the significant volume of the performed backfill measures, the expected result was not obtained due to the underestimation of modern geodynamic processes when choosing the backfill materials. In the conditions of a geodynamically active rock mass, the plugging material must retain plasticity throughout the entire period of operation.
Key words: mountain range, water inflows, plugging, modern geodynamic activity.
Dalatkazin Timur Shavkatovich, сandidate of technical sciences, head of the laboratory, 9043846175@,mail. ru, Russia, Ekaterinburg, Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
Reference
1. Lomtadze V.D. Engineering geology, engineering petrology. L: Nedra, 1970. 528p.
2. Grouting of watered rocks / E.Ya. Kipko [et al.] // 1989.
3. Bakirov A.G. To the geology of the Kempirsai hyperbasite massif // News of the Tomsk Order of the Red Banner of Labor of the Polytechnic Institute named after S. M. Kirov. 1950. Vol. 65. pp. 158 - 163.
4. Panzhin A.A. , Ruchkin V.I., Tretyak A.V. Diagnostics of modern geodynamic activity of the massif and investigation of the process of displacement at the mines of the Don GOK // Mining Journal of Kazakhstan. 2014. No. 3. pp. 32-36.
5. Panzhin A.A. Investigation of geodynamics of the rock mass at the mines of the Don GOK // Scientific and technical support of mining production. Proceedings of the D.A. Kunaev Institute of Mining, Almaty, 2007. pp. 42-48.
6. Balek A.E., Panzhin A.A. Monitoring of deformation processes in the rock mass of the Don chromite deposits: accounting for the influence of hierarchical blockiness // Modern Problems of Mechanics. 2018. No. 33 (3). pp. 83-91.
7. Belyaev V. F., Pyastolov A.V. Mechanical and physico-chemical methods of strengthening rocks. M.: Nedra, 1967.
8. Aitmatov I. T., Kravtsov B. I., Polovov B. D. Tamponing of watered rocks in mine construction. M.: Nedra, 1972.
9. Litvin A.Z., Polyakov N.M. Sinking of mine shafts by special methods. M.: Nedra, 1974. 250 p.
10. Tarasov V.V., Pestrikova V.S. The experience of using polyurethane resins for waterproofing mine shafts of potash mines // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2014. Issue 1. pp.40-47
11. Monitoring of structural deformations with millimeter accuracy using autonomous GPS / Yan Bao, Wen Guo, Guoquan Wang et al.// Journal of Geodetic Engineering. 2017. Volume 144.
12. Mirek Adam, Oset Krzysztof. Assessment of the impact of seismicity induced by mining activities on construction sites based on scales. Evaluation of the oddzyalyvaniya seis-michnoski indukovanei dzialalnoski gurnichen on the objects of budovlane on the podstavie vybranich rocks. Prz.year.2014.70. No. 6. pp.49-53.
13. Sepehri M., Apel D., Liu V. Assessment of the stability of treatment faces and the influence of the ratio of horizontal and vertical stresses on the zones of compliance and relaxation around underground open faces using empirical methods and finite element methods// Arch.Min.nauki.2017. Volume 62. No. 3. pp.653-669. DOI: 10.1515/amsc-2017-0047.
14. BTS/complies with the Joint Code of Practice for Risk Management in Tunnel Construction in the UK. London: BTS, 2003. [Electronic resource]. URL: www.britishtunnelling.org / (accessed: 21.10.2016).
