Технология перехода механизированным комплексом геологических нарушений с ослабленным массивом горных пород Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622. 55. 286

П.Н. Васильев, В.А. Шерстов ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕХОДА МЕХАНИЗИРОВАННЫМ КОМПЛЕКСОМ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ С ОСЛАБЛЕННЫМ МАССИВОМ ГОРНЫХ ПОРОД

Семинар № 11

ш ш ри переходе механизированными

-Ж.-1 комплексами геологических нарушений при наличии неустойчивых горных пород, характерных для многих месторождений основных угольных бассейнов Российской Федерации, а также для подмерзлотных горизонтов в месторождениях, находящихся в условиях многолетней мерзлоты, возникают значительные сложности по укреплению вмещающих пород и управлению кровлей.

Для случая перехода геологических нарушений со слабыми нарушенными вмещающими породами в условиях Крайнего Севера в ИГДС им. Н.В. Черского СО РАН разработан комбинированный способ подготовки зоны нарушения к переходу механизированным способом, сущность которого заключается в следующем: (рис. 1.)

До подхода забоя лавы к геологическому нарушению проходят по нарушению выработку с присечкой боковых пород на пути перехода комплекса. Из выработки в кровлю бурят шпуры длиной 3-4 м с пересечением плоскости сдвига, которые размещают вдоль выработки на расстоянии не более 3-4 м друг от друга. Устье шпуров изолируют герметизаторами, на концы которых навинчены вентили с напорными шлангами с помощью которых подают упрочняющий раствор в породы приамплитудной зоны. В качестве упрочняющего раствора может быть использован состав на основе карбамидофор-мальдегидной малотоксичной смолы КФ-МТ и отвердителя -

Комбинированный способ подготовки зоны геологического нарушения к переходу очистным механизированным комплексом: 1 - забой лавы; 2 - геологическое нарушение; 3 - выработка; 4 -присекаемые породы при проведении выработки; 5 - скважины (шпуры); 6 -плоскость сдвига

водного раствора кристаллического хлорного железа.

Нагнетание производят циклично с изменением дисперсности состава раствора. С увеличением дисперсности состава снижают давление нагнетания раствора с целью исключения гидроразрыва, которое может привести к образованию дополнительных трещин.

Для определения технологических параметров упрочнения нарушенных пород полимерными материалами необходим расчет расстояния между скважинами и времени нагнетания раствора.

В работе [1] для трещиноватых пород радиус распространения и время нагнетания предложено определять по эмпирическим формулам, полученным по результатам обработки экспериментальных данных методами математической статистики. Однако при этом не учитывается трещиноватость нарушенной зоны, скорость увеличения вязкости раствора и другие важные факторы.

Известно, что в случае точечного нагнетания в изотропный массив имеет место сферически симметричный поток. Такое течение описывается следующей системой уравнений [2]:

(l)

(г)

(3)

(4)

(5)

і (r2 f )= 0

n Ё* =- Kt pr = £

8t /л dr

P{rot ) = Po P{t, t )= 0 Ф) = ro

Изменение вязкости полимерного раствора от времени описывается зависимостью [1]: a't

/Л = Цое (б)

где r 0 - радиус скважины, м; Р - давление нагнетания, Па; t - расстояние между скважинами, м; n - пористость нарушенной зоны; t -время нагнетания, с; Кп - коэффициент проницаемости, м2; - начальная вязкость раствора,

H ■ с

______; ОС - скорость увеличения вязкости рас-

м2 твора, с-1.

Общее решение уравнения (1) следующее

[2]:

p(r, t ) = -1 A(t) + B(t) (7)

т

Используя условия (з) и (4), получим систему уравнений:

Зависимость времени гелеобразования

(8)

(9)

--A(t) + B(t ) = Р0

*o

- i)A(,)+0

тогда:

AM--T^V

Го К1)

Подставив полученное значение A(t) в уравнение (7) и (2), получим:

______ро_£2 (t)

*})

д£ Kп Po

n— = dt

(10)

r

д£ _ KnPoro 1

(ll)

Подставляя зависимость (б) в уравнение (11), получим

dt n n(t )({t \({t)- ro]

Подставляя за (11), получим

Jro]of = J----------eat + C

(12)

Von

Дисперсность раствора Соотношение смола- отвердитель Время гелеобразования, мин Время затвердевания, ч.

Тонкая 2:1 7-9 1-2

Средняя 4:1 1з-15 4-5

Крупная б:1 19-21 8-9

1 /з (V)-rr- (t) = - KsILl і + C

w ,v „ ~ (із)

з 4 7 2 nona’

Используя значение і из условия (5), получим:

1 з 1

з А з — r-----r =-

з 2 ' /uona'

или после преобразования:

з

C = k n Pj0

і

— r" б

(l4)

(l5)

ц0по.

Подставим формулу (15) в формулу (13), получим:

3 ^ (О"-2 г/1 (0 = - е-“'')-1 Го3 (16)

3 2 №опа 6

Выражение (16) связывает радиус распространения упрочняющего раствора с фильтрационными свойствами среды, параметрами твердения раствора и давления нагнетания.

Для практического использования выражение (16) упрощается, при этом предельный радиус распространения раствора составит:

^" 1>о']’ (17)

ц^а'

Тогда расстояние между скважинами можно будет определить по выражению:

/ = K

M.C. H

зк п Poro

(l8)

/л^а

где Кн - коэффициент, учитывающий трещиноватость нарушенной зоны.

При нагнетании растворов по скважинам, пробуренным с пересечением смесителя Кн = 1,8, а при параллельном расположении скважин Кн зависит от количества трещин на 1 пог.м. и с увеличением их от 1 до 10 уменьшается от 1,8 до 1,4.

Время твердения упрочняющего раствора выбирается из условия повышения вязкости в 10 раз, т.е.

= Ш (19)

Следовательно:

Определим расстояние между шпурами при следующих параметрах среды и процесса нагнетания упрочняющего раствора:

Кн = 1.8, Кп = 10'14м2, Р = 21-106Па, г0 = 0.02 м;

^0=2-10'3 Н '; п=1.510-2; а=0.4-10'3с'1

M2

При этих условиях расстояние между шпурами составит 1,3 м, а при Кн = 1,4 -1 м.

В качестве упрочняющего раствора рекомендуется состав на основе карбамидоформальде-гидной малотоксичной смолы КФ-МТ (ГОСТ 14231-78) с отвердителем - водным раствором кристаллического хлорного железа.

Соотношение между смолой и отвердителем в упрочняющем растворе в зависимости от дисперсности состава приведено в таблице. Нагнетание упрочняющего раствора, целесообразно осуществлять циклично с изменением дисперсности состава раствора. Дисперсность скрепляющего состава зависит от соотношения смолы и отвер-дителя.

В связи с тем, что горные породы имеют различную экзогенную трещиноватость от 1 до 100 трещин на 1 пог.м, а также различную величину раскрытия трещин от 0,1 до 10 см [3], рекомендуется использовать все три состава раствора. Первоначально нагнетается тонкодисперсный раствор, который обладает наибольшей скоростью процесса гелеобразования и твердения. При этом происходит более полное заполнение мелких пустот и трещин. Затем давление нагнетания сбрасывают и в скважину подают средне-дисперсный

1. Давыдов В.В., Белоусов Ю.И Химический способ укрепления горных пород. - М.: Недра, 1977. -228 с.

2. Веригин Н.Н. Нагнетание вяжущих растворов в горные породы в целях повышения прочности и водонепроницаемости оснований горнотехнических соору-

раствор под давлением, меньшим первоначального значения, с целью исключения гидроразрыва, который может привести к образованию дополнительных трещин. При подаче наиболее крупного по дисперсности раствора происходит полное схватывание нагнетаемой массы с нарушенными горными породами, кратность подачи раствора с изменением дисперсности состава зависит от степени трещиноватости массива и расстояния между трещинами.

Первая стадия обеспечивает выполнение подготовки зоны нарушения к переходу очистными работами в максимально короткие сроки - 1-2 часа. Количество стадий зависит от расстояния забоя лавы до нарушения. При подготовке зоны нарушения в три стадии продолжительность подготовки составит около суток. Использование предложенного способа имеет следующие преимущества:

- происходит более эффективное внедрение раствора в микротрещины и пустоты массива нарушенных горных пород;

- расширяется область распространения упрочняющего раствора в массиве.

Использование предлагаемого способа подготовки зоны геологического нарушения обеспечивает беспрепятственный и безостановочный переход очистных механизированных комплексов по сложным нарушениям непрямолинейной формы в условиях многолетней мерзлоты. Способ защищен авторским свидетельством СССР № 1182175.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

жений. // Известия АН СССР. ОТН. - 1952. - № 5. - С. 674-687.

3. Слепцов А.Е., Киржнер Ф.М., Скуба В.Н. Влияние льдистости массива на устойчивость выработок, расположенных в зоне многолетней мерзлоты: ОИ. Технология добычи угля подземным способом. ЦНИЭИ-уголь.- 1974. - №11. - С.19-20.

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------

Васильев П.Н - старший научный сотрудник,

Шерстов В.А. - доктор технических наук, главный научный сотрудник,

Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения РАН.