CC BY
1
2. Management of rock pressure in the development of powerful polar formations / Yu.V. Gromov [et al.]. Moscow: Nedra, 1995. 239 p.
3. Mathematical models of degassing of under-roof bundles of coal released into treatment faces / A. N. Kachurin, V. K. Demin, D. N. Shkuratsky, P. I. Karnachev // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2019. No. 4. pp. 249-258.
4. Dynamics of methane release in the treatment face during the development of powerful shallow coal seams with the release of a roofing bundle / N. M. Kachurin, A. Y. Erma-kov, D. N. Shkuratsky, A. N. Kachurin // Izvestia Tula State University. Earth Sciences. 2017. No. 4. pp. 170-179.
5. Methods of hydraulic fracturing of a hard-to-collapse roof and coal seam to exclude dynamic phenomena in coal mines / V. I. Klishin [et al.] // Mining industry. 2022. No. 6. pp. 46-53.
6. Evaluation and monitoring of the method of operational multi-stage softening of a hard-to-break roof by the method of directional hydraulic fracturing / V. I. Klishin, G. Yu. Opruk, P. V. Grechishkin, S. I. Svyazev // Mining industry. 2023. No. S2. pp. 101-107.
7. A comprehensive assessment of difficult-to-formalize ventilation and technological processes in coal mines / I. I. Bosikov, R. V. Klyuev, I. V. Silaev, G. V. Stas // Sustainable development of mining territories. 2023. Vol. 15, No. 3(57). pp. 516-527.
8. The use of discharge drilling to ensure the safety of mining of gas-bearing coal seams of Donbass / V. S. Bri-gida, Yu. V. Dmitrak, O. Z. Gabaraev, V. I. Golik // Occupational safety in industry. 2019. No. 3. pp. 7-11.
9. Technology of single-stage development of powerful shallow coal seams with the release of coal on a block conveyor / A.Y. Ermakov [et al.] // Novokuznetsk, 2013. 257 p.
10. Instructions for choosing the method and parameters of softening the roof on the excavation sites. Leningrad: VNIMI, 1991. 102 p.
УДК 622.271.45
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОНСЕРВАЦИИ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Н.М. Качурин, Г.В. Стась, Д.О. Прохоров, К. А. Головин
Рассмотрено разнообразие задач, для решения которых применяется гидроструйная цементация. Приведено общее описание технологии. Рассмотрены разновидности и достоинства гидроструйных технологий. Разработана технологическая схема и определены основные параметры консервации потенциальных техногенных месторождений. Определен коэффициент сближения скважин, зависящий от глубины бурения. Установлено, что использование данной технологии расширяет возможности увеличения запасов минеральных ресурсов при наличии потенциала извлечения в будущем полезных компонентов при отработке техногенных месторождений.
Ключевые слова: гидроструйная цементация, консервация, изоляция, техногенное месторождение, водонепроницаемый экран, породобетон.
Консервация потенциальных техногенных месторождений позволяет в дальнейшем при более благоприятных обстоятельствах (изменились эко-
номические условия, появились новые эффективные и безопасные технологии отработки месторождений и извлечения полезных компонентов) перейти к его полной ликвидации [1 - 4]. Существуют различные способы консервации потенциальных техногенных месторождений, но эти способы либо не позволяют полностью изолировать объект, либо не могут быть применены на уже сформированных объектах.
Технологию гидроструйной цементации (ГСЦ) горных пород начали внедрять почти одновременно в Англии, Италии и Японии. Доказательством высокой продуктивности этой идеи является то, что за последние четверть века она расширила географию своего применения максимально. По всему миру данная технология позволяет с высокой результативностью решать разнообразные задачи, как традиционные, так и новые, имеющие большое значение для горной промышленности.
В нашей стране внедрение ГСЦ началось с экспериментальных исследований, проводимых в 1976 - 1983 годах в институтах НИИОСП и "Гидроспецпроект" [5]. Первое опробывание на практике данной технологии было произведено при разработке мерзлого грунта под котлованы, выполнении работ по устройству вертикальных противофильтрационных завес и при уплотнении просадочных грунтов замачиванием [6].
На сегодняшний день ГСЦ горных пород ^t grouting) является наиболее эффективной технологией закрепления слабых и неустойчивых пород для последующей проходки горных выработок или строительства подземных сооружений; возведения противофильтрационных завес; укрепления откосов, стенок котлованов.
Принципиально, технология ГСЦ горных пород заключается в использовании кинетической энергии высокоскоростной суспензионной во-доцементной струи, направляемой на разрушение и перемешивание горной породы в массиве без создания в нем избыточного давления. На первом этапе специально оборудованной под ГСЦ буровой установкой бурится пилотная скважина диаметром 73 - 120 мм. Бурение производится до расчетной глубины, определяемой проектом, с предварительной промывкой цементным или глинистым раствором под давлением, обычно не превышающим 5 МПа. Промывочная жидкость подается непосредственно на породоразрушающий инструмент. На следующем этапе насосной установкой высокого давления подается водоцементный раствор под давлением 45...50 МПа. Подачей высокого давления автоматически перекрывается канал орошения, и открывается канал питания струеформирующей насадки (или насадок, если их несколько) диаметром 0,8-3 мм. Причем насадка ориентирована таким образом, чтобы истекающая струя была направлена перпендикулярно оси буровой колонны. Включается вращение буровой колонны (с частотой 10.25 об/мин), и начинается подъем буровой колонны, происходят резание и перемешивание грунта за счет высокой кинетической энергией струи [7].
Струйная цементация позволяет улучшить прочностные, деформационные и фильтрационные свойства любых сжимаемых дисперсных горных пород как природного, так и техногенного происхождения.
В настоящее время существуют три разновидности технологии ГСЦ для применения к горным породам, отличающиеся количеством компонентов, устройством бурового инструмента и диаметром преобразованного массива (рис. 1).
Технологии гидроструйной цементации
ЛЕТ 1 ГСТ2 ШТ 3
■ ■ ■ ■
Компоненты
- водоцементныи раствор.
Е
■ водоцементныи раствор; - воздух.
- водоцементныи раствор;
- воздух;
- вода.
Диаметр преобразованных массивов
1 1
0,5-0,8 м 0,8-1,5 м 1,2 - 2,5 м
Рис. 1. Технологии гидроструйной цементации
Таким образом, анализ показывает, что технология ГСЦ горных пород является современной перспективной технологией задания массивам неустойчивых пород с высоким коэффициентом фильтрации необходимых физико-механических свойств.
Основные направления практического применения технологии ГСЦ представлены на рис. 2.
Основной целью способа консервации является расширение технических возможностей для эффективного снижения влияния токсичных компонентов потенциальных техногенных месторождений на окружающую среду [7].
Предлагаемая технология консервации является универсальной не только для защиты окружающей среды от воздействия потенциальных техногенных месторождений, но и для сохранения для последующего извлечения и использования [9].
Рис. 2. Основные направления практического применения технологии
ГСЦ
Основные преимущества технологии ГСЦ представлены на рис. 3.
Рис. 3. Основные преимущества технологии ГСЦ
Рис. 4. Технологическая схема консервации потенциального техногенного месторождения: а - бурение пилотной скважины; б - формирование подошвенного экрана; в - формирование поверхностного экрана: 1 - буровой став; 2 - буровой инструмент; 3 - породный массив; 4 - подошвенный экран; 5 - поверхностный экран; 6 - расчетная глубина нижней границы подошвенного экрана; 7 - расчетная мощность подошвенного экрана; 8 - поверхность ТМ; 9 - расчетная мощность поверхностного экрана
Для достижения поставленной цели реализуются следующие процессы (рис. 4):
- на поверхности техногенного образования производится разметка сетки для бурения скважин;
- по намеченной сетке осуществляется бурение до расчетной глубины пилотных скважин;
- производится нагнетание водоцементного раствора под высоким давлением, что позволяет струей с высокой кинетической энергией резать и перемешивать породы и формировать изолирующий породобетонный мас-
Размеры сетки скважин рассчитывают таким образом, чтобы массивы породобетона соседних скважин формировались с перекрытием, необходимым для образования сплошного водонепроницаемого экрана.
Нагнетание водоцементного раствора под высоким давлением осуществляется при подъеме буровой колонны через струеформирующие насадки, которые направлены перпендикулярно оси пробуренной скважины. При этом колонна вращается с частотой 10.25 об/мин. Струя водоце-ментного раствора с высокой кинетической энергией режет и перемешивает породы, формируя цилиндрический массив из породобетона с диаметром, во много раз превышающим диаметр скважины. Нагнетание водоцементно-го раствора прекращают после доведения мощности водонепроницаемого экрана до необходимой. Далее продолжают поднимать буровую колонну и при достижении нижней границы поверхностного водонепроницаемого экрана возобновляют нагнетание высоконапорного водоцементного раствора. Производится создание водонепроницаемого экрана на (у) поверхности техногенного образования.
Сплошной изолирующий геотехнический массив формируется из породобетонных элементов, располагающихся по шахматной сетке с разме-
к? в
рами ячейки - [104], где к? - коэффициент сближения скважин, зависящий от глубины бурения; В - расчетный диаметр породобетонного элемента. Значение коэффициента сближения скважин определяется по следующей формуле:
2 • В - 4 • Н-5-к,
к? =--, (1)
? 1,1 • В
где Н - глубина скважины, м; 8 - среднее отклонение скважины от вертикали; к1 - коэффициент вероятности отклонения.
При В = 2,5 м, Н = 15 м, 5 = 0,01 и к, = 0,75 коэффициент сближения скважин, зависящий от глубины бурения к?, будет равен 1,655.
Схема размещения скважин для изоляции потенциального техногенного месторождения с использованием технологии гидроструйной цементации показана на рис. 5.
кгО
4
<—►
Рис. 5. Схема размещения скважин ГСЦ для изоляции потенциального
техногенного месторождения
При увеличении глубины бурения сетка скважин сгущается в соответствии с рассчитанным коэффициентом кг .
Прочность материала экрана, необходимая для обеспечения устойчивости против размыва и суффозии, 1,5.. .3,0 МПа [9].
Мощность экрана определяется действующим на экран напором воды и прочностными свойствами породобетона.
Данная технология консервации и изоляции позволяет:
- осуществить высокотехнологичное формирование эффективных водонепроницаемых экранов под основаниями и на поверхностях (у поверхностей) техногенных минеральных образований;
- устранить вредное влияние потенциальных техногенных месторождений и сохранить окружающие территории;
- обеспечить безопасность выполнения работ на поверхности породных отвалов угольных шахт за счет последовательного формирования закрепленных слоев породобетона.
Использование данной технологии расширяет возможности увеличения запасов минеральных ресурсов при наличии потенциала извлечения в будущем полезных компонентов при отработке техногенных месторождений. Основным отличием консервации от рекультивации является сохранение полезных компонентов для последующей разработки. При этом запас сырья потенциального техногенного месторождения будет защищен за счет изоляции от взаимодействия с агрессивными природными факторами, которые приводят не только к физическим потерям массы горных пород отвалов угольных шахт в результате ветровой и водной эрозии, но и к снижению важных потребительских свойств компонентов в результате трансформации под воздействием негативных физико-химических и биохимических процессов, инициируемых проникновением воды, кислорода и микроорганизмов в тело породных отвалов угольных шахт, описанных в [2].
Благодарность: «Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-17-00148, https://rscf.ru/project/23-17-00148/».
Список литературы
1. Баталин Б.С., Белозерова Т.А., Гайдай М.Ф. Строительная керамика из террикоников Кизеловского угольного бассейна // Стекло и керамика. 2014. № 3. С. 8-10.
2. Вайсман Я.И., Гайдай М.Ф. Разработка технологии консервации террикоников в целях снижения их негативного воздействия на окружающую среду и сохранения ресурсного потенциала // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2016. Т. 15. № 19. С. 175-174.
3. Комплексное освоение угольных и техногенных месторождений Подмосковного угольного бассейна / Д.Р. Каплунов, Н.М. Качурин, Г.В. Фридлендер, М.П. Ганин // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. № 4. С. 113-123.
4. Перспективы утилизации хвостов обогащения Садонских руд / В.И. Голик, Б.С. Цидаев, Н.М. Качурин, В.В. Вернигор // Устойчивое развитие горных территорий. 2020. Т. 12. № 1(43). С. 128-136.
5. Бройд И.И. Струйная геотехнология. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2004. 448 с.
6. Головин К.А. Обоснование параметров и создание оборудования для гидроструйной цементации неустойчивых пород в горном производстве: дис. ... д-ра техн. наук. Тула, 2007. 336 с.
7. Басова И.А., Прохоров Д.О., Пьянков С.В. Предложения по охране земель от негативного воздействия техногенных минеральных образований // Вестник СГУГиТ (Сибирского государственного университета геосистем и технологий). 2021. Т. 26. № 5. С. 135-144.
8. Способ консервации и изоляции промышленных отвалов: пат. 2636174 РФ. № 2016139713; заявл. 10.10.16; опубл. 21.11.17. Бюл. №33. 1 с.
9. Маковецкий О.А. Расчет и конструирование искусственного основания "структурный геотехнический массив": дис. ... д-ра техн. наук. Москва, 2021. 363 с.
Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Стась Галина Викторовна, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Прохоров Дмитрий Олегович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Головин Константин Александрович, д-р техн. наук, доцент, зав. кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
DEVELOPMENT OF CONSERVATION TECHNOLOGY POTENTIAL ANTHROPOGENIC
DEPOSITS
N.M. Kachurin, G.V. Stas, D.O. Prokhorov, K.A. Golovin
The variety of tasks for which hydro-jet grouting is used is considered. The general description of the technology is given. Different types and advantages of hydro-jet technologies are considered. The technological scheme is developed and the main parameters of conservation of potential anthropogenic deposits are determined. The coefficient of wells convergence depending on the drilling depth is determined. It is established that the use of this technology expands the possibilities of increasing the reserves of mineral resources in the presence of the potential for future extraction of useful components in the development of anthropogenic deposits.
Key words: hydro-jet grouting, conservation, isolation, anthropogenic deposit, watertight screen, rock concrete.
Kachurin Nikolay Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Stas Galina Viktorovna, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Prokhorov Dmitrii Olegovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Golovin Konstantin Alexandrovich, doctor of technical sciences, docent, head of chair, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Makarov A.B. Technogenic deposits of mineral raw materials // Soros Educational Magazine. 2000. No. 8. pp. 76-80.
2 Batalin B.S., Belozerova T.A., Gaidai M.F. Construction ceramics from the landfills of the Kizelovsky coal basin // Glass and ceramics. 2014. No. 3. pp. 8-10.
3. Vaisman Ya.I., Gaidai M.F. Development of technology for the conservation of landfills in order to reduce their negative impact on the environment and preserve resource potential // Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Geology. Oil and gas and mining. 2016. Vol. 15. No. 19. pp. 175-174.
4. Complex development of coal and man-made deposits of the Moscow coal basin / D.R. Kaplunov, N.M. Kachurin, G.V. Friedlander, M.P. Ganin // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2019. No. 4. pp. 113-123.
5. Prospects for utilization of tailings of Sadonian ore enrichment / V.I. Golik, B.S. Tsidaev, N.M. Kachurin, V.V. Vernigor // Sustainable development of mountainous territories. 2020. Vol. 12. No. 1(43). pp. 128-136.
6. Broyd I.I. Jet geotechnology. M.: Publishing House of the Association of Construction Universities, 2004. 448 p.
7. Golovin K.A. Substantiation of parameters and creation of equipment for hydrojet cementation of unstable rocks in mining: dis. ... Doctor of Technical Sciences. Tula, 2007. 336 p.
8. Basova I.A., Prokhorov D.O., Pyankov S.V. Proposals for the protection of lands from the negative effects of man-made mineral formations // Bulletin of SGUGiT (Siberian State University of Geosystems and Technologies). 2021. Vol. 26. No. 5. pp. 135-144.
9. Method of conservation and isolation of industrial dumps: pat. 2636174 of the Russian Federation. No. 2016139713; application 10.10.16; publ. 11/21/17. Byul. No.33. 1 p.
10. Makovetsky O.A. Calculation and construction of an artificial foundation "structural geotechnical array": dis. ... Doctor of Technical Sciences. Moscow, 2021. 363 p.
УДК 622.235.535.2
ОЦЕНКА СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ НА ОХРАНЯЕМЫЕ ОБЪЕКТЫ НА ПРИМЕРЕ ТОМИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
В.А. Кутуев, С.Н. Жариков
Представлены результаты исследования сейсмического воздействия взрывных работ при разработке Томинского месторождения медно-порфировых руд на охраняемые объекты, находящиеся на дневной поверхности территории горного отвода карьера и в близлежащих населенных пунктах. В результате установлены: особенности распространения волновых процессов в сложноструктурном массиве горных пород; рациональные параметры БВР, обеспечивающие сейсмические колебания в пределах допустимых величин, при разработке глубоко залегающего сложноструктурного месторождения в направлении охраняемых объектов.
Ключевые слова: сейсмическое действие взрыва, взрывные работы, разрушение горных пород, свойства горных пород, сейсмобезопасные параметры БВР, безопасные расстояния.
