CC BY
35
УДК 622.457.5:624.136.6 © Е.И. Нургалиев, А.Е. Майоров, 2018
Технологические схемы возведения монолитных изоляционных сооружений горных выработок
угольных шахт
Р01: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-11-10-17 -
НУРГАЛИЕВ Евгений Илдарович
Генеральный директор научно-производственной компании ООО «УГМ-Сервис», 650014, г. Кемерово, Россия, e-mail: [email protected]
МАЙОРОВ Александр Евгеньевич
Доктор техн. наук, профессор РАН, заведующий лабораторией геомеханики и геометризации угольных месторождений ФИЦ УУХ СО РАН, профессор кафедры теоретической и геотехнической механики КузГТУ, 650065, г. Кемерово, Россия, e-mail: [email protected]
Рассмотрены эффективные способы возведения изоляционных сооружений горных выработок угольных шахт в условиях нарушенных вмещающих пород. Предложены рациональные схемы изоляции горных выработок, в том числе наиболее сложных - пластовых (сбоек, подготовительных выработок). Приведены результаты масштабных испытаний на шахтах Кузбасса в течение 2012-2018 гг. с возведением около 1 тыс. изоляционных перемычек. Обоснована эффективность консолидирующих изоляционных систем «перемычка - тампонажная завеса», конструктивно интегрированных в нарушенный вмещающий массив и управляющих его физико-механическим состоянием. Ключевые слова: подземные выработки, безопасность, изоляция, перемычка, приконтурный массив, инъекция, тампонажная завеса, упрочнение, уплотнение.
ВВЕДЕНИЕ
В целях обеспечения промышленной безопасности при высоких темпах проходки горных выработок и добычи угля необходима организация эффективных схем проветривания шахт с своевременной и качественной изоляцией отработанных участков и других неиспользуемых горных выработок. Локализация выработанных пространств изоляционными сооружениями (перемычками) является наибо-
лее эффективной мерой предотвращения самовозгорания угля, одним из основных средств предупреждения и тушения эндогенных и экзогенных подземных пожаров. Некачественная изоляция горных выработок приводит к повышению концентрации метана в исходящем потоке воздуха и кислорода в отработанном пространстве. Для плановой и экстренной изоляции горных выработок наибольшее распространение получили монолитные безврубовые перемычки вследствие своей технологичности и более низкой трудоемкости возведения. При этом основной объем изоляционных сооружений возводится в условиях нарушенных вмещающих пород. В пластовых выработках проявлены наиболее сложные условия вследствие структурной и прочностной анизотропии угольных пластов, переменного влияния фронта очистных работ, что приводит к повышенной трещиноватости и ослаблению несущей способности контура в месте возведения изолирующей перемычки. При этом известно, что основная фильтрация воздуха и газов происходит через нарушенный приконтурный массив горных пород и по области контакта контура горной выработки и тела изолирующей перемычки.
АКТУАЛЬНОСТЬ
На примере Кузбасса значительный объем безврубовых перемычек возводится и эксплуатируется без соответствующего предварительного/последующего упрочнения и уплотнения (консолидации) нарушенной прикон-турной зоны, что приводит к значительным перетокам газа через изолирующее сооружение, отсутствию несущих конструктивных связей, отрицательно влияющих на устойчивость конструкции. Очевидна необходимость рационального комплексного подхода к строительству и безопасной эксплуатации угольных шахт, реализуемого при возведении консол иди рующих (перевод с лати нского: взаимное упрочнение, уплотнение, сращивание) изоляционных систем «перемычка - тампонажная завеса», конструктивно интегрированных в нарушенный вмещающий массив горных пород.
Цель работы: обеспечение безопасности ведения горных работ при ресурсосберегающих строительстве и эксплуатации угольных шахт.
Основная задача: обоснование и разработка рациональных технологических схем изоляции пластовых выработок безврубовыми монолитными перемычками с консолидированной приконтурной зоной вмещающих пород.
ОБЩИЙ АНАЛИЗ
Объектом исследования являются элементы: горные выработки с нарушенной (трещиноватой) приконтурной зоной пород, безврубовые монолитные перемычки и инъекционные тампонажные завесы из специализированных цементных смесей, технологии их возведения.
Развивая классификацию технологических схем объекта, с экономической точки зрения целесообразен поэтапный подход, позволяющий на основе структурных элементов адаптировать конструкцию и саму технологию возведения изолирующего сооружения в зависимости от изменяющихся горно-геологических и горнотехнических условий.
Основываясь на описанном далее опыте возведения монолитных изолирующих сооружений угольных шахт, представлены рациональные варианты принципиальныхсхем элементов, учитывающих возможность различного сочетания их технологических и конструктивных особенностей - от самых простых, состоящих из тела перемычки, до более сложных консолидирующих изоляционных систем «перемычка - тампонажная завеса» (рис. 1).
В условиях отсутствия нарушений обычно применяют схему а. При нарушенных вмещающих породах, что особо проявляется в пластовых выработках угольных шахт, в качестве базовых определены: схема ё и схема е - усиленная, для более сложных условий. Для реализации схем е, /, g, к, г с изоляционными работами применяются: предварительный тампонаж приконтурно-го массива пород - перед возведением перемычки, и последующий тампонаж - после возведения перемычки. При этом основной задачей является обеспечение качества и надежности сооружения, оцениваемых по критериям прочности, устойчивости и фильтрационным характеристикам.
Опыт решения задач управления физико-механическим состоянием массива горных пород [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14], а также совместные исследования в области фильтрации флюидов, механики дисперсных систем и создания специализированных цементных смесей с заданными свойствами, проводимые Институтом угля СО РАН (структурное подразделение ФИЦ УУХ СО РАН), КузГТУ (Кафедра теоретической и геотехнической механики) и научно-производственной компанией «УГМ-Сервис» (НПК «Упрочнение Горного Массива»), позволили комплексно решить задачи изоляции горных выработок, ремонта и восстановления подземных сооружений. Компанией «УГМ-Сервис» разработаны составы серии УГМ на основе активированного цемента, минеральных наполнителей и техногенных отходов производства. Исследованы их реологические и физико-механические ха ра ктеристи ки, за пущено промышленное производство мощностью более 2,5 тыс. т/мес. Составы от-
носятся к классу легких бетонов, имеют высокие показатели набора прочности, плотности, адгезии, а также, высокие термостойкость и долговечность, относительно низкую стоимость.
ТЕЛО МОНОЛИТНЫХ ПЕРЕМЫЧЕК
Конструктивной основой изолирующего сооружения является тело перемычки. В России накоплен значительный опыт строительства и эксплуатации подземных изолирующих сооружений [15, 16, 17, 18, 19]. В течение 2012-2018 гг. в Кузбассе проведены масштабные испытания технологии опалубочного возведения монолитных безврубовых изоляционных перемычек из специализированной цементной смеси УГМ-П, возводимых по схемам а и ё (см. рис. 1). На шахты: ООО «Распадская угольная компания» (ЕВРАЗ), АО «СУЭК-Кузбасс», ОАО «БЕЛОН», ООО «УК «Промуглес-быт», ООО «Холдинг «Сибуглемет», ООО УК «Заречная», ОАО «УК «Кузбоссразрезуголь», АО «Шахта «Антоновская», ООО «Торговый Дом «Меркурий», АО «ТопПром», АО «Шахта Большевик» и другие (общее количество - более 30 шахт) поставлено около 40 тыс. т указанной смеси, возведено около 1 тыс. перемычек.
В процессе натурных исследований проведена оценка физико-механических характеристик образцов смеси и горных пород, трещиноватости и фильтрационных свойств нарушенного приконтурного массива пород. При
Рис. 1. Принципиальные схемы элементов консолидирующих изоляционных систем «перемычка - тампонажная завеса»: а - перемычка; Ь - перемычка армированная; с - перемычка напряженно-армированная (анкерами); ё - перемычка с частичным проникновением состава в трещины приконтурной зоны; е - перемычка дополнена инъекционным тампонажем приконтурной зоны;/- перемычка дополнена армированием приконтурной зоны; g - перемычка дополнена напряженным армированием приконтурной зоны (анкерами); к - перемычка дополнена армированием тела перемычки; г - перемычка дополнена несущими закладными элементами в теле перемычки
этом разработаны рекомендации по оперативной диагностике и контролю состояния приконтурного массива горных выработок с оценкой фактической трещиновато-сти и фильтрационных свойств массива горных пород, в том числе и углей. Определение трещинной проницаемости экспериментальных участков до и после возведения изолирующего сооружения производилось реометриче-ским методом, в котором используются закономерности изменения параметров фильтрации сжатого воздуха через раскрытые трещины. При этом базовым прибором контроля является автономный портативный цифровой манометр-регистратор Crystal XP2i с точностью измерения 0,001%, фактические размеры исследуемых объектов определяются при визуально-измерительном контроле.
Доказаны: высокие технологичность и эффективность возведения изоляционных перемычек из смеси УГМ-П, качество и удобоукладываемость смеси при массовом водо-твердом соотношении 0,47-0,5, времени потери текучести до 10 мин., прочности на одноосное сжатие до 20 МПа, прочности на изгиб до 4,5 МПа, адгезионной прочности к породам до 0,9 МПа. В нарушенных горных породах приконтурной зоны, в том числе и углях, при заполнении опалубки происходит безнапорное распространение смеси по трещинам на глубину: до 0,5 м - при раскрытии трещин от 0,М0-3 до 0,510-3 м; до 1,5 м - при раскрытии трещин более 0,510-3 м. При раскрытии трещин более 5-10-3 м наблюдаются активные протечки смеси за опалуб-
Рис. 2. Схема тампонажной завесы вокруг безврубовой перемычки: 1 - горная выработка; 2 - перемычка; 3 - нарушенный приконтурный массив пород; 4 - тампонажная завеса; 5 и 6 - нагнетательные скважины (соответственно для предварительного и последующего тампонажа)
ку в выработку, что требует проведения дополнительных мероприятий по изоляции контура.
Выявленные недостатки. При наличии обширной зоны интенсивной трещиноватости массива по периметру возводимой монолитной перемычки формируется область активной фильтрации воздуха через сквозные трещины, что обусловлено высокой скоростью схватывания состава УГМ-П и его ограниченной проникающей способностью. Также, учитывая, что безврубовые монолитные перемычки удерживаются только за счет сил трения и сцепления по периметру контура, конструкция без полноценных несущих связей и интеграции с массивом получается более ослабленная.
Для исключения выявленных недостатков, проявление которых может быть критично (устойчивость конструкции перемычки, изолирующие характеристики, влияющие на загазованность горных выработок и содержание кислорода в отработанном пространстве), разработаны дальнейшие схемы, обеспечивающие, кроме прочего, управление геометрией тампонажных завес вокруг перемычек.
ТАМПОНАЖ НАРУШЕННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
Основной целью инъекционного тампонажа являются упрочнение и уплотнение горных пород для повышения устойчивости контура горных выработок, ликвидации фильтрации газов и воды через изолирующее сооружение. Формирование тампонажной завесы вокруг выработки определяется процессом инъекции раствора в породный массив. Параметры технологии инъекции включают в себя: расход раствора в скважину, давление нагнетания, режим нагнетания, концентрацию раствора, радиус распространения раствора, время нагнетания, длину скважин. Указанные параметры взаимосвязаны процессом фильтрации раствора в массиве и зависят от его фильтрационных характеристик. Тампонаж горных пород следует осуществлять при их проницаемости к > 0,5 ■ 10-12 м2.
о
Рассмотрим тампонаж как самостоятельный элемент - схема е (см. рис. 1). Для анализа способа последующего и предварительного возведения тампонажной завесы вокруг безврубовой перемычки представлена условная схема продольного осевого сечения горной выработки (рис. 2). Рекомендуется веерное расположение нагнетательных скважин по периметру перемычки.
Для качественного инъекционного упрочнения и уплотнения нарушенного приконтурного массива пород необходимо формирование тампонаж-ной завесы с обязательными условиями полного заполнения объема трещин и распространения нагнетаемого там-понажного раствора по всей площади рациональной области сечения ABСD.
При этом важно взаимное пространственное расположение нагнетательных скважин вокруг перемычки и относительно контура горной выработки, что непосредственно влияет на размер и форму зоны распространения тампонажного раствора по трещинам. Соответственно, особо важными являются схема расположения нагнетательных скважин и значение угла их наклона относительно контура горной выработки, зависящего от радиуса распространения тампонажного раствора, режима нагнетания и физических свойств массива горных пород.
Последующее возведение тампонажной завесы. Началом нагнетательной скважины является точка Е (см. рис. 2), обеспечивающая технологический отступ АН от перемычки для размещения инъекционного пакера в устье, не пересекая линии CD. Точкой F обозначена забойная часть нагнетательной скважины 5, а отрезок АВ равен значению к - глубины нарушенного приконтурно-го массива пород вокруг перемычки.
Предложен авторский инженерный метод, основанный на расчете относительного угла наклона, позволяющий оперируя взаимным соотношением катетов прямоугольного треугольника АРБ рассчитать угол наклона гипотенузы, то есть нагнетательной скважины относительно контура горной выработки, град.:
а = 45 • к1 /(Н+ АН), (1)
где: к1 - соответствует длине отрезка АГ, м; Н - толщина перемычки, м; АН - технологический отступ от перемычки, м; при условии, что значение величины к = AF + FB. Отрез ки АР и РВ должн ы равняться радиуса м расп ростра -нения тампонажного раствора Й по трещинам горных пород на соответствующих участках нарушенного прикон-турного массива.
При частном случае равенства отрезков AF и FB в схеме тампонажа угол наклона нагнетательной скважины относительно контура горной выработки соответствует, град.:
а = 22,5 • к /(Н + АН), (2)
Учитывая реологические характеристики и массовое водо-твердое соотношение тампонажного раствора, физические параметры и трещиноватость горных пород, возможно эффективно, качественно контролировать процесс возведения тампонажной завесы вокруг перемычки.
Предварительное возведение тампонажной завесы. Данная схема имеет более простую реализацию из-за свободного доступа к месту возведения перемычки. Инъекционные скважины 6 (см. рис. 2) бурят также веером по периметру, но перпендикулярно контуру горной выработки. Для заполнения площади рациональной области ABСD необходимо соблюдение равенства двойного радиуса распространения тампонажного раствора по трещинам горных пород 2Я толщины перемычки. Расстояние между нагнетательными скважинами назначают при условии смыкания радиусов распространения тампонажного раствора Я, определяемых в соответствии с его реологическими характеристиками и физическими параметрами нарушенного приконтур-ного массива пород.
Предложенные схемы минимизируют неконтролируемое истечение тампонажного раствора в горную выра-
ботку, повышая качество инъекционного упрочнения и уплотнения нарушенного приконтурного массива пород вокруг изоляционных перемычек.
Натурные исследования. В соответствии с предложенными схемами проведены исследования базовых технологий ведения тампонажных работ на шахтах Кузбасса: «Антоновская», «Усковская», «Алардинская», «Распадская-Коксовая», «Ерунаковская-8», «Есаульская», «Талдинская-Западная-2». За период 2017-2018 гг. поставлено более 120 т смеси УГМ.
Только на шахте «Алардинская» проведен тампонаж нарушенных горных пород вокруг 15 перемычек. Наиболее представителен комплекс изоляционных работ по пожарному участку № 79, обеспечивший общее снижение утечек метановоздушной смеси через изолирующие сооружения с 280 до 120 м3/мин. и снижение концентрации СО и О2. Например, по замерам на перемычке № 1129 концентрация газа СО снизилась с 2 до 0%, а О2 - с 2 до 1,8%. На скважине № 806 концентрация газа СО снизилась с 2,9 до 0,0071%, а О2 - с 2,9 до 1,4%.
Наиболее показательным является положительный результат последующего возведения тампонажной завесы вокруг перемычки № 7425, полученный при реализации технологии в условиях шахты «Распадская-Коксовая». Поскольку величина раскрытия трещин приконтурного массива различна, для качественного возведения тампонажной завесы нагнетание было произведено при двух ступенях давления: до 0,5 и до 1 МПа. На каждой ступени нагнетания возможно использование двух стадий - первая проводится при постоянном расходе и переменном (возрастающем) давлении, вторая - при постоянном давлении и переменном (уменьшающемся) расходе. На каждой ступени происходит заполнение групп трещин с различным раскрытием. На первой заполняются в основном трещины с раскрытием более 510-3 м, на второй - менее 210-3 м. В итоге, обеспечено практически полное исключение перетоков газовоздушных смесей через изолирующее сооружение. При этом доказано снижение метана перед перемычкой с 2% до нормы, то есть более чем в четыре раза; а кислорода в отработанном пространстве лавы - с 19 до 12%, т.е. более чем в 1,5 раза (по показаниям станции SKPA\O2 в период 24-27.01.2017). Оценка качества тампонажа также производилась на основе реометриче-ских методов контроля, используя разработанные уникальные методическое обеспечение и оборудование.
Доказана эффективность технологии инъекционого тампонажа нарушенной приконтурной зоны вокруг перемычек с применением смесей серии УГМ. Очевидна сравнительно бо'льшая трудоемкость поэтапного применения отдельных элементов системы для обеспечения эффективной работы системы для сложных условий - «перемычка - тампонажная завеса». Однако главным недостатком является существующий в настоящее время общий подход к изоляции горных выработок, направленный на ликвидацию уже возникших последствий и снижающий уровень промышленной безопасности опасного производственного объекта. Негативные объективные прямые и косвенные, но не менее важные, особенности: несоблюдение технологии возведения перемычки и тампонажа службами шахт (ГРП третьего разряда и
их «привычки»), отсутствие или редкое применение последующего тампонажа для ликвидации нарушений (отсутствие планомерности подхода и должного уровня образования технических служб), отсутствие необходимого материально-технического и методического обеспечения (инъекционного, смесительного и диагностического оборудования, специализированных смесей и составов), слабый уровень контроля вышестоящих и контролирующих организаций, вырождение научной школы тампонажа.
Для устранения недостатков, в том числе минимизации влияния «человеческого фактора» на качество возводимой системы, разработана новая технология изоляции горных выработок с нарушенной приконтурной зоной.
Рис. 3. Поперечное сечение изолируемой горной выработки
Рис. 4. Продольное сечение изолируемой горной выработки
КОНСОЛИДИРУЮЩАЯ ИЗОЛЯЦИОННАЯ СИСТЕМА «ПЕРЕМЫЧКА - ТАМПОНАЖНАЯ ЗАВЕСА»
На основании вышеописанного опыта внедрения основных элементов dи е (см. рис. 1) разработана авторская технология, основные схемы которой представлены на рис. 3 и 4.
Последовательность основных операций. В нарушенной приконтурной зоне 2 горной выработки 1 с учетом известных способов и схем производят бурение по периметру горной выработки скважин 3, устья которых расположены в одной плоскости - в створе. Проводят визуально-измерительный контроль нарушенной приконтурной зоны 2, в том числе наружный осмотр контура горной выработки 1, а также стенок скважин 3. Производят монтаж инъекторов 4 в устьях скважин 3. Инъекто-ры 4 от каждой скважины соединяют друг с другом шлангами, создавая тем самым разомкнутый кольцевой коллектор 5 (далее по тексту коллектор), который в нижней точке подключают к напорной магистрали 6 (см. рис. 3) от тампонажного насоса (на рис. 3 не показан). Второй конец коллектора заглу-шен. В верхней части коллектора 5 монтируют регулируемый сбросной клапан давления 7. Рекомендуется верхнее расположение клапана с установленным давлением открытия 0,5 МПа. В зависимости от интенсивности нарушений приконтурной зоны 2 возможно различное количество скважин 3 и схем их рационального подключения. Производят монтаж опалубки 8 из двух щитов (см. рис. 4), необходимой для формирования монолитной перемычки, перекрывающей горную выработку 1. В качестве тампонажного раствора рекомендуется специализированная смесь на основе цемента серии УГМ с массовым водо-твердым соотношением 0,3-0,5. Далее производят нагнетание тампонажного раствора по прямой схеме подключения тампонажного насоса через инъекторы 4 в скважины 3 и далее в трещины нарушенных пород приконтурной зоны 2 для возведения по периметру перемычки тампо-нажной завесы 9. Нагнетание производят до отказа скважин 3, сопровождающееся резким ростом давления нагнетания тампонажного раствора, что означает полное заполнение прилегающих трещин. При росте сопротивления на скважинах и достижении давления нагнетания в коллекторе 0,5 МПа срабатывает клапан, сбрасывая излишний объем тампонажного раствора (остаток от возводимого объема тампонажной завесы) в опалубку.
Давление нагнетания Рн в скважины 3 является важной технологической характеристикой возведения тампонажной завесы. Для исключения гидроразрыва нарушенных пород приконтурной зоны обеспечивают нагнетание тампонажного раствора с ограничением предельного давления Рн, которое обычно составляет не более 0,5 МПа [3, 4, 5]. При этом, соблюдая режим нагнетания с постоянным расходом, обеспечивают, в первую очередь, начало процесса по заполнению трещин нарушенных пород приконтурной зоны, и только позже, после нарастания гидравлического сопротивления трещин и росте давления нагнетания в коллекторе 5 до регламентированного
значения, осуществляют сброс в свободное пространство опалубки 8 остатка быстротвердеющего раствора от там-понажной завесы 9. В итоге, тампонажный насос нагнетает тампонажный раствор под давлением Рн, МПа, с постоянным расходом 2н, м3/ч, составляющим сумму значений, уменьшающихся во времени расходов на скважинах Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8 и пропорционально увеличивающихся во времени расхода на сбросе Qп, каждое из которых является переменной величиной и изменяется в процессе одновременного возведения консолидирующей изоляционной системы «перемычка - тампонажная завеса», соответственно и изменяя во времени их взаимное соотношение. Таким образом, остаток тампонажного раствора от тампонажной завесы 9 сбрасывается из скважин 3 с увеличивающимся по мере заполнения трещин расходом QIr Соблюдая вышеуказанные условия, обеспечивают подпор в коллекторе 5 и скважинах 3 как в процессе, так и после заполнения трещин.
Процесс нагнетания продолжают до полного заполнения опалубки и полного перекрытия горной выработки (на рис. 3,4 показан промежуточный уровень тампонажного раствора в нижней части опалубки), контролируют его в начале излива раствора из верхнего контрольного отверстия. К моменту полного заполнения опалубки тампонажный раствор в ее нижней части и в границах одновременно возведенной тампонажной завесы теряет подвижность.
Натурные исследования. На шахтах Кузбасса испытана коллекторная схема подключения нагнетательных скважин к напорной линии по описанной технологии. Уникальность результата заключается в подтверждении факта самонастройки системы подачи тампонажного раствора под изменяющееся гидродинамическое сопротивление нагнетательных скважин в процессе инъекции. Даже при отказе части скважин поток тампонажно-го раствора перераспределяется на другие, а при наличии сбросного устройства соблюдается идеальный для тампонажа режим: с постоянным расходом в начале процесса и плавным переходом в режим с постоянным давлением в конце процесса.
Раздельное применение элементов технологии в итоге всегда будет иметь уровень качества наиболее слабого структурного элемента. Альтернативно предложенные технологические режимы обеспечивают непрерыв-
ность и монолитность возводимой изоляционной системы при комплексной интеграции конструкции в нарушенную приконтурную зону. Известно [3, 4, 5, 7], что подобные режимы тампонажа обеспечивают минимум воздушных пустот, максимальное уплотнение тампонажного раствора и его равномерное распределение в трещинах массива, исключение образования «холодных швов», а в итоге - максимально возможное качество, характеризуемое параметрами прочности, плотности и устойчивости.
На рис. 5 представлено условное сравнение усредненного времени выполнения основных операций технологического цикла возведения перемычки и последующей тампонажной завесы с комплексным возведением консолидирующей изоляционной системы «перемычка - тампонажная завеса», при прочих равных условиях.
В технологических циклах учтен обязательный этап обследования приконтурного массива пород в месте возведения перемычки до и после выполнения изоляционных работ. Рассмотрена условная выработка сечением 16-20 м2 с телом перемычки, содержащая 30-45 т сухой смеси, использован насос мембранного и/или героторного типа, инъекционные скважины - 10 шт., нагнетание тампонажного раствора производится за один этап, стандартная опалубка из теса, бригада из четырех человек.
Проведенные исследования доказывают, что объединение технологических операций по заполнению опалубки, инъекционному уплотнению и упрочнению нарушенной приконтурной зоны значительно сокращает общее время возведения изоляционной системы: почти в 1,3 раза при сравнении комплексной и последующей схем возведения, и до двух раз по сравнению с альтернативными технологиями.
ВЫВОДЫ
1. Доказаны общая эффективность и технологичность применяемого способа монолитного опалубочного возведения тела изолирующих перемычек цементной смесью УГМ-П, созданы и апробированы новые комплекты облегченного мобильного насосного и смесительного оборудования.
2. Разработанная технология последующей инъекционной цементации нарушенного приконтурного массива пород вокруг безврубовых перемычек включает в себя
Комплексное
Последующее
Рис. 5. Операции технологического цикла возведения консолидирующей изоляционной системы «перемычка - тампонажная завеса»: 1 - подготовительные работы; 2 - бурение диагностических скважин; 3 - обследование места возведения с оценкой трещиноватости массива; 4 - бурение инъекционных скважин; 5 - монтаж пакеров и нагнетательной линии; 6 - возведение опалубки; 7- пуско-наладка нагнетательного оборудования; 8 - возведение системы «перемычка - тампонажная завеса»; 9 - промывка и демонтаж нагнетательного оборудования; 10 - возведение тела перемычки; 11 - возведение тампонажной завесы
комплекс решении по созданию радиального веера инъекционных скважин, наклоненных над перемычкой под углом к контуру горной выработки, определяемым из соотношения толщины перемычки, размеров зоны нарушений и радиуса распространения тампонажного раствора. При предварительном возведении тампонажной завесы рекомендовано веерное расположение инъекционных скважин по периметру, перпендикулярно контуру горной выработки. Нагнетание тампонажного раствора в скважины производят поэтапно, до полного смыкания инъекционного контура с телом перемычки, обеспечивая эффективную консолидацию создаваемой изолирующей системы.
Основные параметры технологии возведения тампонажной завесы включают в себя: расход раствора в каждую скважину, давление нагнетания, режим нагнетания, концентрацию раствора, радиус распространения раствора, время нагнетания, длину скважин. Указанные параметры взаимосвязаны процессом фильтрации раствора в массиве и изменяющегося гидродинамического сопротивления трещин пород. Соблюдение вышеуказанных условий и зависимостей обеспечивает эффективное упрочнение и снижение фильтрационных характеристик нарушенных пород приконтурной зоны вокруг перемычки.
3. Комплексная изоляция горных выработок с нарушенной приконтурной зоной консолидирующей системой «перемычка - тампонажная завеса», основанная на технологическом совмещении возведения монолитной перемычки с инъекционным упрочнением и уплотнением приконтурной зоны массива, изменяющих физико-механические характеристики нарушенных пород и создающих несущие структурные связи, в общем дает синергетический эффект повышения качества и скорости изоляции выработанного пространства.
Принцип реализации системы основан на объединении нагнетательных скважин единым подающим коллектором, обеспечивающим пропорциональное распределение тампонажного раствора между ними в зависимости от роста их гидродинамического сопротивления. При этом, при возведении тампонажной завесы освобождаемый по мере заполнения трещин остаток тампонажного раствора сбрасывается из коллектора в опалубку перемычки с нелинейно увеличивающимся расходом, сохраняя стабильным давление подпора в нагнетательных скважинах до окончания процесса.
4. Разработанная технология возведения консолидирующей системы «перемычка - тампонажная завеса» на основе водо-твердых суспензий (типа цементных смесей серии УГМ) обеспечивает практически полное исключение перетоков газовоздушных смесей из изолируемой части выработок, проводимых в нарушенных вмещающих горных породах.
5. Дальнейшая перспектива направлена на исследование и обоснование систем с быстровозводимой опалубкой, безопалубочные технологии возведения перемычек, совершенствование экспресс-методов оперативной диагностики и контроля их технического состояния, создание нового мобильного смесительно-нагнетательного и тампонажного комплекса оборудования.
Прорыв в развитии технологий изоляции горных выработок в настоящее время произойдет только при
переходе угледобывающих компаний на комплексные услуги сторонних специализированных организаций, выполняющих работы «под ключ». Тогда возведение изоляционной системы на опасном производственном объекте получит должный уровень внимания и ответственности.
Список литературы
1. Luca Gandossi. An overview of hydraulic fracturing and other formation stimulation technologies for shale gas production. European Commission. Joint Research Centre. Institute for Energy and Transport. Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2013. EUR 26347 EN. doi: 10.2790/99937 .
2. Проблемы безопасности и новые технологии подземной разработки угольных месторождений / В.И. Клишин, Л.В. Зворыгин, А.В. Лебедев, А.В. Савченко. Новосибирск: Издательский дом «Новосибирский писатель», 2011. 524 с.
3. Хямяляйнен В.А., Бурков Ю.В., Сыркин П.С. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок. М.: Недра, 1994. 400 с.
4. Хямяляйнен В.А., Митраков В.И., Сыркин П.С. Физико-химическое укрепление пород при сооружении выработок. М.: Недра, 1996. 352 с.
5. Майоров А.Е., Хямяляйнен В.А. Консолидирующее крепление горных выработок. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2009. 260 с.
6. Возведение противофильтрационных завес вокруг водоупорных перемычек / В.А. Хямяляйнен, Г.С. Франкевич, В.А. Жеребцов и др. Кемерово, 2000. 119 с.
7. Майоров А.Е., Хямяляйнен В.А. Фильтрационное течение и приливы плотности дисперсной фазы при заполнении трещин горных пород цементным раствором // Горный журнал. 2010. № 4. С. 105-110.
8. Хямяляйнен В.А. Развитие инъекционных способов уплотнения массивов горных пород в Кузбассе // Вестник КузГТУ. 2015. № 5. С. 25-32.
9. Заславский Ю.З., Лопухин Б.А., Дружко Е.Б. Инъекционное упрочнение горных пород. М.: Недра, 1984. 176 с.
10. Хямяляйнен В.А., Баев М.А. Оценка влияния отходов углеобогащения на физико-механические свойства там-понажных растворов и параметры технологии цементации // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014. № 4. С. 247-253.
11. Комплексный метод тампонажа при строительстве шахт / Э.Я. Кипко, Ю.А. Полозов, О.Ю. Лушникова, В.А. Лагунов. М.: Недра, 1984. 280 с.
12. Хямяляйнен В.А., Баев М.А. Экспериментальные исследования физико-механических свойств тампонажных растворов на основе цемента и отходов углеобогащения // Вестник КузГТУ. 2013. № 6. С. 12-19.
13. Угляница А.В., Першин В.В. Цементация трещиноватых пород в условиях подготовительных горных выработок. Кемерово, 1998. 220 с.
14. Разрушение и тампонаж пород в сейсмически активных условиях метаноугольных месторождений / В.А. Хямяляйнен, В.В. Иванов, В.И. Мурко и др. Кемерово: Кузбасс-вузиздат, 2014. 256 с.
15. Инструкция по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса. Кемерово, 2007. 77 с.
16. Глузберг Е.И. Теоретические основы прогноза и профилактики шахтных эндогенных пожаров. М.: Недра, 1989. 160 с.
17. Егошин В.В., Кухаренко Е.В., Александрович И.Ф. Предупреждение и тушение эндогенных пожаров на шахтах Кузбасса. Кемерово: Кемеровское книжное издательство, 1994. 355 с.
18. Парфенов А.П. Строительство гидроизоляционных перемычек в калийных рудниках Прикарпатья // Шахтное строительство. 1989. № 7. С. 24-25.
19. Нургалиев Е.И., Майоров А.Е., Роут Г.Н. Технология скоростного возведения высокопрочных безврубовых перемычек с использованием специализированных цементных смесей // Уголь. 2014. №6. С. 20-23. URL: http://www. ugolinfo.ru/Free/062014.pdf (дата обращения: 15.10.2018).
UNDERGROUND MINING
UDC 622.457.5:624.136.6 © E.I. Nurgaliev, A.E. Mayorov, 2018
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 11, pp. 10-17 Title
technological scheme of construction of monolithic isolating constructions at mining excavations of coal mines
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-11-10-17 Authors
Nurgaliev E.I.1, Mayorov A.E.2, 3
1 Scientific Research and Production Company "UGM-Service" LLC, Kemerovo, 650014, Russian Federation
2 Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry of SB RAS, Kemerovo, 650065, Russian Federation
3 T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University (KuzSTU), Kemerovo, 650000, Russian Federation
Authors' Information
Nurgaliev E.I., General Director, e-mail: [email protected] Mayorov A.E., Doctor of Engineering Sciences, Professor RAS, Head of geo-mechanics and geometrization of coal fields laboratory, Professor of chair of theoretical and geotechnical mechanics, e-mail: [email protected]
Abstract
Efficient methods of construction of isolating structures for mine excavations of coal mines in destroyed enclosing rocks conditions were considered. There are rational scheme of mine excavations isolation, including difficult scheme - seam (linkage, development working). The results of amplitudinous researches on coal mines of Kuzbass at 2012-2018 period with construction of 1 thousand of isolating bridges are shown. There is justification of efficiency of consolidated isolating systems"bridge-plugging screen", which have been constructively integrated at destroyed enclosing massif and controlled physical and mechanical state of massif.
Keywords
Safety, Isolation, Bridge, Border rock massif, Injection, Plugging screen, Hardening, Compaction.
References
1. Luca Gandossi. An overview of hydraulic fracturing and other formation stimulation technologies for shale gas production. European Commission. Joint Research Centre. Institute for Energy and Transport. Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2013. EUR 26347 EN. doi: 10.2790/99937.
2. Klishin V.I., Zvorigyn L.V., Lebedev A.V. & Savchenko A.V. Problemy bezo-pasnosti i novye tekhnologii podzemnoj razrabotki ugol'nykh mestorozhdeniy [Tasks of safety and new technologies of underground development of coal fields]. Novosibirsk, "Novosibirskiy pisatel" Publ., 2011, 524 p.
3. Khyamyalyainen V.A., Burkov Yu.V. & Syrkyn P.S. Formirovanie tsementat-sionnykhzaves vokrug kapital'nykh gornykh vyrabotok [Cement-grout screen formation around permanent mine excavations]. Moscow, Nedra Publ., 1994, 400 p.
4. Khyamyalyainen V.A., Mitrakov V.I. & Syrkyn P.S. Fiziko-khimicheskoe ukre-plenieporodprisooruzhenii vyrabotok [Physical and chemical rocks hardening with excavation construction]. Moscow, Nedra Publ., 1996, 352 p.
5. Mayorov A.E. & Khyamyalyainen V.A. Konsolidiruyushhee kreplenie gornykh vyrabotok [Consolidating bracing of mining excavations]. Novosibirsk. SB RAS Publ., 2009, 260 p.
6. Khyamyalyainen V.A., Frankivich G.S., Zherebtsov V.A. et al. Vozvedenie protivofil'tratsionnykh zaves vokrug vodoupornykh peremychek [Antifiltering screens creation around water-resistant bridges]. Kemerovo, 2000, 119 p.
7. Mayorov A.E. & Khyamyalyainen V.A. Fil'tratsionnoe techenie i prilivy plot-nosti dispersnoj fazy pri zapolnenii treshhin gornykh porod tsementnym rastvorom [Filtering flow and density increasing in dispersed phase with rock fractures filling by cement grout]. GornyiZurnal - Mining Journal, 2010, No. 4, Pp. 105-110.
8. Khyamyalyainen V.A. Razvitie inekcionnyh sposobov uplotnenia massivov gornyh porod v Kuzbasse [Development of injection methods of compacting of rock massif in Kuzbass]. Vestnik KuzGTU - Bulleten KuzSTU, 2015, No. 5(111), Pp. 25-32.
9. Zaslavskiy Yu.Z., Lopukhin B.A. & Druzhko E.B. Inekcionnoe uprocnenie gornyh porod [Rock massif injection hardening]. Moscow, Nedra Publ., 1984, 176 p.
10. Khyamyalyainen V.A. & Baev M.A. Ocenka vliania othodov ugleobogasenia na fiziko-mehaniceskie svojstva tamponaznyh rastvorov i parametry teh-nologii cementacii [Evaluating of influence of coal preparation wastes on physical and mechanical properties of plugging grouts and parameters of cementation technology]. Gornyy Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten' -Mining Information and Analytical Bulletin, 2014, No. 4, Pp. 247-253.
11. Kipko E.Ya., Polozov Yu.A., Lushnikova O.Yu. & Lagunov V.A. Kompleksnyj metod tamponaza pri stroitel'stve saht [Complex method of plugging in mine building]. Moscow, Nedra Publ., 1984, 280 p.
12. Khyamyalyainen V.A. & Baev M.A. Ehksperimental'nye issledovaniya fiziko-mekhanicheskikh svojstv tamponazhnykh rastvorov na osnove tsementa i otkhodov ugleobogashheniya [Experimental researches of physical and mechanical properties of plugging grouts based on cement and coal preparation wastes]. Vestnik KuzGTU - Bulleten KuzSTU, 2013, No. 6, Pp. 12-19.
13. Uglyanitsa A.V. & Pershin V.V. TSementatsiya treshhinovatykh porod v us-loviyakh podgotovitel'nykh gornykh vyrabotok [Fractured rocks grouting in conditions of pre-excavations]. Kemerovo, KuzSTU Publ., 1998, 220 p.
14. Khyamyalyainen V.A., Ivanov V.V., Murko V.I. et al. Razrushenie i tamponazh porod v sejsmicheski aktivnykh usloviyakh metanougol'nykh mestorozhdenij [Destruction and plugging of rock at seismic active conditions of methane-coal fields]. Kemerovo, Kuzbassvuzizdat Publ., 2014, 256 p.
15. Instruktsiya po preduprezhdeniyu i tusheniyu podzemnykh ehndogennykh pozharov vshakhtakh Kuzbassa [Instruction for prevention and firefighting of underground breeding fire on Kuzbass coal mines]. Kemerovo, 2007, 77 p.
16. Glauzberg E.I. Teoreticheskie osnovy prognoza i profilaktiki shakhtnykh ehndogennykh pozharov [Theoretical basics of prognosis and prevention of breeding fire]. Moscow, Nedra Publ., 1989, 160 p.
17. Egoshin V.V., Kukharenko E.V. & Alexandrovich I.F. Preduprezhdenie i tush-enie ehndogennykh pozharov na shakhtakh Kuzbassa [Prevention and fire-fighting of underground breeding fire on Kuzbass coal mines]. Kemerovo, Kemerovo book publishing, 1994, 355 p.
18. Parfenov A.P. Stroitel'stvo gidroizolyatsionnykh peremychek v kalijnykh rudnikakh Prikarpat'ya [Hydroisolating bridges constructing in potassium mines of Prikarpatye]. Shakhtnoe stroitel'stvo - Mining Construction, 1989, No. 7, Pp. 24-25.
19. Nurgaliev E.I., Mayorov A.E. & Rout G.N. Tekhnologiya skorostnogo voz-vedeniya vysokoprochnykh bezvrubovykh peremychek s ispol'zovaniem spetsializirovannykh tsementnykh smesej [The technology of fast construction of extra strength bridges with using of special cement mixtures]. Ugol' -Russian Coal Journal, 2014, No. 6, Pp. 20-23. Available at: http://www.ugolinfo. ru/Free/062014.pdf (accessed 15.10.2018).
