Лiквiдацiя залишкових водоприпливiв i закрiплення нестiйких гiрських порiд пiд час будiвництва та експлуатацiї вертикальних шахтних стволiв

Размещено на http://www.allbest.ru/

МIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ УКРАЇНИ

НАЦIОНАЛЬНА ГIРНИЧА АКАДЕМIЯ УКРАЇНИ

ДОЛЖИКОВ ПЕТРО МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 622.257.1:624.138.5

ЛIКВIДАЦIЯ ЗАЛИШКОВИХ ВОДОПРИПЛИВIВ I ЗАКРIПЛЕННЯ НЕСТIЙКИХ ГIРСЬКИХ ПОРIД ПIД ЧАС БУДIВНИЦТВА ТА ЕКСПЛУАТАЦIЇ ВЕРТИКАЛЬНИХ ШАХТНИХ СТВОЛIВ

Спецiальнiсть 05.15.04 - "Шахтне та пiдземне будiвництво"

Автореферат

дисертацiї на здобуття наукового ступеня

доктора технiчних наук

Днiпропетровськ 1999



Дисертацiєю є рукопис

Робота виконана в ДВАТ "Спецтампонажгеологiя" Мiнiстерства вугiльної промисловостi України

течiя порода водоiзоляцiйний завiса

Науковий консультант академiк АГН та АБ України,

доктор технiчних наук, професор,

лауреат Державної премiї СРСР,

КIПКО Ернест Якович, голова правлiння ДВАТ "Спецтампонажгеологiя"

Офiцiйнi опоненти: доктор технiчних наук, професор

ПАРЧЕВСЬКИЙ Леонiд Якович,

професор кафедри маркшейдерiї

Нацiональної гiрничої академiї України

доктор технiчних наук, професор УСАЧЕНКО Борис Миронович,

завiдувач вiддiлу механiки гiрських порiд Iнституту геотехнiчної механiки НАН України

доктор технiчних наук, професор ДРУЖКО Євген Борисович,

професор кафедри залiзобетонних конструкцiй, пiдвалин i фундаментiв Донбаської державної академiї будiвництва та архiтектури

Провiдна установа: Донбаський гірничо-металургійний інститут, кафедра будівництва шахт і підземних споруд (м. Алчевськ)

Захист вiдбудеться " 04 " червня 1999 р. о 13-00 годинi на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 08.080.04 при Нацiональнiй гiрничiй академiї України (320027, м. Днiпропетровськ - 27, пр. К.Маркса, 19).

З дисертацiєю можна ознайомитись в бiблiотецi Нацiональної гiрничої академiї України за адресою: 320027, м. Днiпропетровськ - 27, пр. К. Маркса, 19.

Автореферат розiсланий " 03 " травня 1999 р.

Вчений секретар спецiалiзованої вченої ради,

докт. техн. наук, с.н.с. РОЄНКО А.М.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнiсть проблеми. Вугiльна промисловiсть для України є приоритетною в паливно-енергетичному комплексi. В умовах реструктуризацiї пiдвищення ефективностi роботи вугiльних пiдприємств безпосередньо пов'язане, перш за все, з реконструкцiєю дiючих i також будiвництвом нових глибоких вертикальних стволiв. Збiльшення глибини вiдробки вугiльних пластiв викликало значне погiршення гiрничо-геологiчних i гiдрогеологiчних умов будiвництва та експлуатацiї як вертикальних стволiв, так i шахт в цiлому.

По даним "Укрвуглегеологiї" практично всi вертикальнi стволи шахт Донбасу споруджувались та експлуатуються у складних гiрничо-геологiчних умовах: лiтологiчнi розрiзи по стволам представленi на 60-80% обводненими породами. Ця обставина визначала застосування цiлого ряду спецспособiв гiдроiзоляцiї обводнених горизонтiв пiд час будiвництва та експлуатацiї стволiв. Але на сьогоднiшнiй день 72% вертикальних стволiв у Донбасi експлуатуються iз залишковими водоприпливами у вертикальнi стволи 8-25 м³/г, а 7% - до 50 м³/г. Залишкові водоприпливи у вертикальні стволи приуроченi до пiщано-глинистих покривних вiдкладень, високонапiрних пористих пiщаникiв та трiщинуватих обводнених порiд. Складнi гiдрогеологiчнi умови пiдвищують собiвартiсть видобутку вугiлля в 1,3 - 1,5 раза, рiзко (в 2,5 - 6 разiв) скорочуються темпи проведення капiтальних та пiдготовчих виробок пiд час перетину водоносних порiд слабкометаморфiзованої товщi, значно (до 0,5) пiдвищується iмовiрнiсть виникнення аварiйних ситуацiй. Залишковi водоприпливи у вертикальних стволах потребують під час будiвництва застосування тюбiнгового крiплення, що дорого коштує, спорудження перекачних камер, енергоємних уловлюючих та водовiдвiдних систем; пiд час експлуатацiї агресивнi пiдземнi води знижують строк служби крiплення ствола та елементiв армування на 20-30%, а високомiнералiзованi жорсткi шахтнi води, що вiдкачуються на поверхню, завдають значної екологiчної шкоди.

Для лiквiдацiї водоприпливiв та закрiплення в нестiйких пiщано-глинистих грунтах переважно застосовується заморожування, значно рiдше - хiмiзацiя. Цi методи дуже дорогi, мають довгий строк реалiзацiї, а закрiплення має тимчасову дiю. У трiщинуватих породах лiквiдацiя залишкових водоприпливiв здiйснювалась переважно методом цементацiї: технологiчнi схеми послiдуючої цементацiї в стволах потребують довгого часу, значних трудозатрат, а розчин має малий радiус поширення та вимивається пiдземними водами. У мiлкопористих породах Донбасу, що складають до 20% усiх водоносних горизонтiв по стволу, традицiйнi методи водоподавлення (цементацiя, хiмiзацiя) ефекта не дають. Отже для вирiшення практично важливої проблеми по лiквiдацiї залишкових водоприпливiв у стволах необхiднi подальшi вдосконалення вiдомих та розробка нових спецспособiв водоiзоляцiї та закрiплення гiрських порiд.

Виходячи з водно-фiзичних властивостей пiщано-глинистих, пористих та трiщинуватих гiрських порiд, найбiльш перспективними та ефективними для лiквiдацiї залишкових водоприпливiв у вертикальнi стволи шахт є комплексний метод тампонажу глиноцементними розчинами та електрохiмiчний тампонаж силiкатними i хлористими розчинами. Дисертацiйна робота присвячена подальшому розвитку та вдосконаленню технологiчних схем комплексного методу тампонажу шляхом одержання нових наукових даних про течiю в'язкопластичних розчинiв у трiщинуватих та в'язких у пористих гiрських породах i розробки нового методу електрохiмiчного тампонажу пористих порiд. Задачi, що вирiшуються у дисертацiї, є новий напрямок у шахтному будiвництвi та в розвитку наукової школи по боротьбi з пiдземними водами у гiрничiй справi, створенiй у ДВАТ "Спецтампонажгеологiя" пiд керiвництвом академiка АГН і АБ України, доктора технiчних наук, професора Кiпко Е.Я.

Тема дисертацiї пов'язана з виконанням планiв науково-дослiдних та конструкторських робiт ДВАТ "Спецтампонажгеологiя" у вiдповiдностi з координацiйними планами Мiнвуглепрома СРСР та ЦКОП Мiнвуглепрома України у 1983-1997 р.р. (теми №№ 01860001341; 01870067239; 4019204000).

Мета роботи - на базi комплексного методу тампонажу вирiшити проблему лiквiдацiї залишкових водоприпливiв iз пористих i трiщинуватих та закрiплення нестiйких гiрських порiд пiд час будiвництва та експлуатацiї вертикальних стволiв шляхом дослiдження закономiрностей формування водоiзоляцiйних завiс за контуром виробки в рiзних по лiтологiчному складу та колекторським властивостям породах, розробки нових методик розрахунку технологiчних параметрiв, технiчних засобiв i технологiй водоiзоляцiї та закрiплення обводнених порiд, що забезпечують пiдвищення ефективностi будiвництва та експлуатацiї шахтних стволiв.

Для досягнення вказаної мети в дисертацiйнiй роботi ставляться та вирiшуються слiдуючi задачi:

1. Встановити аналiтичнi залежностi технологiчних параметрiв процесу електрохiмiчного тампонажу пiщано-глинистих та пористих порiд;

2. Аналiтично одержати рiвняння змiнювання гiдравлiчних втрат тиску пiд час течiї в трiщинi в'язкопластичного розчину з реологiчними параметрами, що змiнюються;

3. Обгрунтувати принципи моделювання процесу електрохiмiчного тампонажу в пористих породах та процесу течiї в'язкопластичного розчину в трiщинi;

4. Визначити рацiональнi технологiчнi та режимнi параметри електрохiмiчного тампонажу пористих пiщаникiв i пiщано-глинистих порiд; розробити спосiб ресурсозберiгаючого дискретного електрохiмiчного тампонажу глинистих порiд;

5. Встановити емпiрiо-аналiтичнi залежностi реологiчних характеристик глиноцементного розчину вiд вмiсту структуроутворювача та часу;

6. Розробити методики проектування технологiчних та режимних параметрiв формування водоiзоляцiйних завiс за контуром ствола в пористих i трiщинуватих породах;

7. Обгрунтувати безпечнi умови проведення електрохiмiчного тампонажу гiрських порiд у вертикальному стволi, розробити технiчнi засоби та технологiчнi схеми лiквiдацiї залишкових водоприпливiв у стволи шахт.

Основна iдея роботи - використання закономiрностей процесу течiї та структуроутворення в'язких розчинiв у пористих та в'язкопластичних у трiщинуватих породах для розрахунку параметрiв i управлiння формуванням водоiзоляцiйних завiс-екранiв за контуром вертикального ствола.

Методи дослiджень. Методичну основу дослiджень складає комплексний пiдхiд: аналiз та узагальнення лiтературних даних i теоретичнi та лабораторнi дослiдження процесу течiї в'язких розчинiв у пористих та в'язкопластичних у трiщинуватих породах i параметрiв формування водоiзоляцiйних завiс; розробка нових методик проектування та технологiчних схем лiквiдацiї залишкових водоприпливiв у вертикальнi стволи; аналiз теоретичних, лабораторних i промислових результатiв дослiджень.

Науковi положення, що захищаються в дисертацiї:

1. Основним контрольним параметром кiнетики процесу електрохiмiчного тампонажу нестiйких i пористих гiрських порiд є питомий електричний опiр, по змiненню якого видiленi три стадiї перебiгу в грунтi iн'єкцiйно-коагуляцiйно-кристалiзацiйних процесiв. Висока обмiнна ємнiсть глинистих грунтiв забезпечує пiд час виключення електричного струму експоненцiальне затухання електрокiнетичних процесiв з визначеним часом релаксацiї; при дискретному пропусканнi струму через грунт загальна закономiрнiсть розвитку процесу зберiгається, максимальний час релаксацiї залишкового потенцiалу становить 2,5 - 3 години, а найбiльш оптимальне значення показника дискретностi становить 0 - 0,35.

2. Коефiцiєнт електроосмосу пористих гiрських порiд має загальну нелiнiйну залежнiсть вiд градiєнта напруги за рахунок виявлення в порах в'язко-пластичних властивостей розчину - електролiту; пiсля досягнення порогового значення градiєнта напруги 1 В/см коефiцiєнт електроосмосу для лiтологiчно рiзних пористих пiщаникiв є величина постiйна i становить 0,8 - 4,0х10^-9 м²/Вс, а розчин в порах виявляє тiльки в'язкі властивостi.

3. Висока ступiнь необоротної кольматацiї пор у пористих пiщаниках рiзної ступiнi лiтогенезу досягається завдяки пропусканню постiйного електричного струму густиною 8-10 А/м² з одночасною ін'єкцію розчину силiкату натрiя i кремнефтористоводневої кислоти, коефiцiєнт проникностi пiщаникiв знижується у 30-50 разiв. У напiрних пористих горизонтах з коефiцiєнтом фiльтрацiї менше 5х10^-7 м/с завдяки управлiнню процесом електроосмосу встановлюється стацiонарний фiльтрацiйний потiк розчинуелектролiту, що забезпечує рiвновагомi умови для коагуляцiйно-криста-лiзацiйних процесiв i запобiгає вимиванню розчину.

4. У процесi проведення електрохiмiчного тампонажу пiщано-глинистих i пористих гiрських порiд у вертикальному стволi крокова напруга локалiзована у мiжелектродному просторi, на крiпленнi та металоконструкцiях ствола електричного потенцiалу немає, концентрацiя молекулярного водню в стволi становить не бiльше 0,3 %, а пiсля закiнчення робiт залишковий потенцiал у гiрничому масивi - не перебiльшує 300 мВ, що дозволяє проводити комплекс свердловибухових робiт, а нову технологiю вважати безпечною.

5. Емпiрiо-аналiтичнi степеневi залежностi динамiчного напруження зсуву, статичного напруження зсуву i пластичної мiцностi вiд вмiсту структуроутворювача та часу течії тампонажного розчину з високою точнiстю вiдображають фiзико-хiмiчний коагуляцiйно-кристалiзацiйний процес структурування високодисперсних глиноцементних систем, а управління рухом та зупинкою тампонажного розчину у тріщині визначається гідродинамичними втратами тиску, що залежать від змінення динамічного напруження зсуву розчину за часом за умови стаціонарного режиму нагнітання; вибір рецептури глиноцементного розчину та часу його течії до кріплення ствола основані на принципі управляємого формування стійкої профільтраційної завіси у тріщинуватому гірському масиві на разрахованій відстані від виробки з метою запобігання руйнування кріплення та виходів розчину в ствол.

Наукова новизна роботи:

теоретично обґрунтовано та експериментально доведено, що пiд час перiодичного вiдключення електричного струму в глинистих грунтах електро-кiнетичнi процеси продовжуються з визначеним часом релаксацiї; введений новий показник дискретностi процесу, встановленi оптимальнi режимнi параметри, залежностi мiцностi, радiуса закрiплення грунта та мiри економiї електроенергiї вiд показника дискретностi;

сформульована i вирiшена задача визначення швидкостi течiї в'язкої рiдини в напiрному пористому горизонтi пiд дiєю постiйного електричного струму, теоретично та експериментально встановлена нелiнiйна залежнiсть коефiцiєнта електроосмосу вiд градiєнта напруги в пористих пiщаниках та область її виявлення;

вперше експериментально доведена принципiальна можливiсть необоротної водоiзоляцiї пористих пiщаникiв методом електрохiмiчного тампонажу; встановленi закономiрності розвитку процесу, ефективнi техноло-гiчнi параметри, розчини - електролiти; обгрунтована область використання електрохiмiчного тампонажу пористих пiщаникiв рiзної ступенi лiтогенезу;

встановлена нова аналiтична залежнiсть гiдродинамiчних втрат тиску по довжинi трiщини пiд час нагнiтання в'язкопластичного тампонажного розчину з реологiчними властивостями, що змiнюються; одержанi теоретичнi залежностi динамiчного напруження зсуву, статичного напруження зсуву i пластичної мiцностi глиноцементного розчину вiд концентрацiї силiкату натрiя та часу структуроутворення;

аналiтично i експериментально обгрунтованi конструктивнi та технологiчнi параметри формування водоiзоляцiйних завiс на заданiй вiдстанi за контуром вертикального ствола пiд час лiквiдацiї залишкових водоприпливiв iз пористих i трiщинуватих гiрських порiд, що дозволяє запобiгти деформу-ванню крiплення та виходам розчину у ствол;

вперше встановлена закономiрнiсть розподiлення крокової напруги в навколоелектродному просторi, на крiпленнi та металоконструкцiях ствола пiд час пропускання струму та залишкового потенцiалу пiсля його вiдключення; розробленi технiчнi засоби та система спецiальних блокувань енергоблока для безпечного проведення електрохiмiчного тампонажу гiрських порiд по рiзним технологiчним схемам;

розроблені новi методики проектування технологiчних i режимних параметрiв формування водоiзоляцiйних завiс пiд час лiквiдацiї залишкових водоприпливiв у вертикальнi стволи шахт iз пористих i трiщинуватих порiд.

Обгрунтованiсть i достовiрнiсть наукових положень, висновкiв та рекомендацiй пiдтверджується:

- застосуванням класичних методiв та законiв електродинамiки, гідро-динамiки, математичної статистики;

- високоточних вимiрювальних приладiв та перевiрених методiв експе-риментальних дослiджень;

- задовільною збіжністю теоретичних і експериментальних результатів (похибка не більше 10%);

- позитивними результатами впровадження нових технологiй у шахтному будiвництвi.

Наукове значення роботи полягає в вирiшеннi актуальної для шахтного будiвництва проблеми по лiквiдацiї залишкових водоприпливiв iз трiщинуватих i пористих гiрських порiд шляхом узагальнення, формулювання та розв'язання задач течiї в'язких розчинiв-електролiтiв у пористих i в'язкопластичних розчинiв у трiщинуватих породах, отриманнi основних закономiрностей, обгрунтуваннi технологiчних i режимних параметрiв формування водоiзоляцiйних завiс за контуром ствола.

Практичне значення роботи полягає в наступному:

розроблена технологiя закрiплення та водоiзоляцiї нестiйких пiщано-глинистих порiд методом електрохiмiчного тампонажу пiд час будiвництва та експлуатацiї вертикальних стволiв шахт;

розроблена принципово нова технологiя електрхiмiчного тампонажу пористих пiщаникiв пiд час будiвництва та експлуатацiї вертикальних стволiв, яка дозволяє лiквiдувати залишковi водоприпливи, виконувати крiплення бетоном, збiльшити темпи прохiдницьких робiт;

розроблена технологiя лiквiдацiї залишкових водоприпливiв iз трiщи-нуватих порiд шляхом нагнiтання глиноцементних розчинiв через мiнiмальну кiлькiсть похило-спрямованих свердловин.

Реалiзацiя результатiв дослiджень, висновкiв i рекомендацiй роботи:

Основнi положення дисертацiйної роботи увiйшли складовою частиною в слiдуючi документи:

Типовий проект електрохімiчного тампонажу нестiйких гiрських порiд пiд час будiвництва устя вертикальних стволiв шахт / Спецтампо-нажгеологія. - Антрацит, 1988.

Типовий проект електрохiмiчного тампонажу обводнених пористих пiщаникiв iз вибою при проходцi вертикального ствола / Спецтампонажгео-логія. - Антрацит, 1988.

Пояснювальна записка до схеми енергозабезпечення дiльницi електро-хiмiчного тампонажу гiрських порiд / Спецтампонажгеологія. - Антрацит, 1991.

Одиничнi розцiнки на виконання електрохiмiчного тампонажу в гiрьских породах пiд час будування шахтних стволiв / Спецтампонажгеологія. - Антрацит, 1990.

Методика проведення експериментальних дослiджень та методика проектування технологiчних i режимних параметрiв лiквiдацiї залишкових водоприпливiв у вертикальних стволах iз пiщано-глинистих, пористих та трiщинуватих порiд використовується в СШБУ ДВАТ "Спецтампонажгеологiя" пiд час проектування тампонажних робiт.

Технологiя електрохiмiчного тампонажу пiщано-глинистих порiд використана під час будiвництва вентствола № 6 АТ "Обуховське", вентствола № 3 Артемiвського алебастрового комбiнату. Лiквiдацiя залишкових водоприпливiв iз пористих пiщаникiв методом електрохiмiчного тампонажу виконана під час будiвництва ствола ШУ "Жовтневе" ДХК "Донецьквугiлля". Впровадження технологiї лiквiдацiї залишкових водоприпливiв iз трiщинуватих порiд виконано під час експлуатацiї клiтьового ствола шахти "Торецька" ДВАТ "Дзержинськвугiлля" i допомiжного ствола № 2 шахти "Ювiлейна" АТ "Ростоввугiлля".

Особистий внесок автора полягає в постановцi задач дослiдження, формулюваннi та вирiшеннi задач течiї тампонажних розчинiв у пористих i трiщинуватих породах, розробцi методик i проведеннi лабораторних та натурних дослiджень, участi в розробцi технiчних засобiв i технологiчних схем, розробцi методик проектування параметрiв лiквiдацiї залишкових водопри-пливiв iз пористих та трiщинуватих гiрських порiд. Впровадження результатiв дисертацiї в практику шахтного будiвництва здiйснювалось за особистої участi автора.

Апробацiя результатiв дослiджень. Основнi положення дисертацiйної роботи доповiдались та були схваленi на: наукових конференцiях ШI НДТУ (м. Шахти, 1987, 1988, 1990, 1995-1998 р.р.), всесоюзному науковому семiнарi в МДУ (м. Москва, 1988 р.), всесоюзнiй нарадi по науково-технiчному прогресу пiд час будiвництва шахтних стволiв (м. Донецьк, 1988 р.), 47-iй науковiй конференцiї КАДI (м. Київ, 1991 р.), мiжнароднiй конференцiї "Проблеми геогiдромеханiки в гiрничiй справi та будiвництвi" (м. Київ, 1996 р.), науково-виробничих конференцiях "Проведення вертикальних стволiв, бiлястволових дворiв, горизонтальних i похилих виробок пiд час будiвництва шахт" (м. Шахти, 1990, 1997, 1998 р.р.), всесоюзний нарадi по шахтному будiвництву (м. Тирниауз, 1990 р.), засiданнi науково-технiчної ради GZL (м.Любляна, 1990 р.), засiданнi науково-технiчної ради компанiй GMI та СЕС (м.Тайпей, 1997, 1999 р.р.), розширених науково-технiчних радах: МакНДI (м. Макiївка, 1990 р.), тресту "Донецькшахтопрохiдка" (м. Донецьк, 1998, 1990 р.р.), ВО "Укршахтобуд", "Донецьквугiлля", "Добропiллявугiлля" (м. Донецьк, 1987-1990 р.р.), наукових семiнарах НГА України (м. Дніпропетровськ, 1998, 1999 рр.) та ДВАТ "Спецтампонажгеологiя" (м.Антрацит, 1983-1999 р.р.).

Публiкацiї. Основнi положення виконання дослiджень вiдображенi у 28 друкованих роботах, у тому числi: статтi у фахових виданнях - 15, патенти та авторськi свiдоцтва на винаходи - 5, тези доповiдей - 5.

Структура та обсяг роботи. Дисертацiя складається з вступу, шести роздiлiв, висновкiв, списку використаних джерел i додаткiв. Мiстить 371 сторiнку машинописного тексту, в тому числi 69 рисункiв, 60 таблиць, список використаних джерел з 203 найменувань та 7 додаткiв.

Автор висловлює щиру подяку академіку АГН та АБ України, доктору технічних наук, професору Е.Я. Кіпко за постійну увагу, та цінні поради при виконанні досліджень і підготовці дисертації, а також докторам технічних наук, професорам Ю.М. Спічаку і Ю.А Полозову, всім співробітникам СШБУ за допомогу в проведенні експериментів і промисловому впровадженню результатів досліджень.

ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

Стан питання. Технологiчний процес спорудження глибоких вертикальних стволiв, що займає 35-50% часу будiвництва шахти, як правило, передбачає iзоляцiю спецiальними способами напiрних водоносних горизонтiв i закрiплення пливунних грунтiв у розрiзi ствола. Науково обгрунтований вибiр спецiального способу проходки ствола значно впливає на термiн i технiко-економiчнi показники будiвництва i в подальшому експлуатацiї як шахтного ствола, так i гiрничого пiдприємства в цiлому. Величезний внесок у науковi дослiдження, розробку та впровадження спецiльних способiв спорудження капiтальних гiрничих виробок внесли такi вченi: Адамович А.М., Айтматов I.Т., Барях А.А., Бондаренко В.I., Гальченко П.П., Дуда Е.Г., Дружко Е.Б., Заславський Ю.З., Калмиков Е.П., Кiпко Е.Я., Лагунов В.А., Лiтвiнський Г.Г., Лушникова О.Ю., Максимов О.П., Маньковський Г.I., Насонов I.Д., Полозов Ю.А., Половов Б.Д., Простов С.М., Саламатов М.О., Спiчак Ю.М., Сиркiн П.С., Трупак М.Г., Тюркян Р.А., Хямяляйнен В.А., Шуплiк М.М. та багато iнших.

Аналiз гiрничо-геологiчних умов будiвництва та експлуатацiї вертикальних стволiв шахт Донбасу за останнi 20 рокiв показує, що бiльше половини з них по рiзним причинам мають залишковi водоприпливи вище норм БНiПа. Залишковi водоприпливи в розрiзi стволiв в основному проявляються в трiщинуватих i високонапiрних пористих гiрських породах, а також суттєвi труднощi завдають обводненi нестiйкi пiщано-глинистi грунти. Ранiше, переважно для лiквiдацiї залишкових водоприпливiв у стволах, застосовувався метод цементацiї, а в деяких випадках - хiмiзацiя, при цьому в мiлкопористих пiщаниках з дуже малими коефiцiєнтами фiльтрацiї жоден метод ефективно не застосовується; заморожування нестiйких пiщано-глинистих грунтiв дає тимчасове закрiплення. Тому в iнтервалах пористих i нестійких пiщано-глинистих порiд для крiплення застосовуються металевi тюбiнги, що мають високу вартiсть.

На підставі аналіза водно-фiзичних властивостей названих гірських порiд, найбiльш ефективним для лiквiдацiї залишкових водоприпливiв та закрiплення нестiйких грунтiв пiд час будiвництва i експлуатацiї вертикальних стволiв є застосування комплексного методу тампонажу глиноцементними розчинами трiщинуватих горизонтiв та електрохiмiчного тампонажу пористих i пiщано-глинистих порiд. Виконаний аналiз iснуючих сучасних теоретичних дослiджень щодо течiї розчинiв у гiрських породах, методів проектування технологiчних параметрiв, технiчних засобiв водоiзоляцiї та закрiплення порiд показує, що необхiдно виконати подальший розвиток iснуючих та розробку нових способiв тампонажу пористих та трiщинуватих гiрських порiд за контуром ствола пiд час його будiвництва або експлуатацiї. Основна iдея роботи полягає в управляємому формуваннi водоiзоляцiйних завiс у водонасичених породах на заданiй вiдстанi вiд ствола з метою забезпечення збереження цiлiсностi крiплення, запо-бiгання виходiв розчину в ствол i безпеки робiт на базi нових закономiрностей процесу течiї розчинiв у пористих i трiщинуватих породах. Тому у роботi послiдовно i взаємозв'язано розглянутi питання електрохiмiчного тампонажу нестiйких пiщано-глинистих грунтiв та пористих пiщаникiв i тампонажу трiщинуватих порiд глиноцементними розчинами шляхом вирiшення вказаних задач.

Теоретичнi дослiдження технологiчних параметрiв та процесу течiї тампонажних розчинiв у гiрських породах

При пропусканнi постiйного електричного струму через пористi гiрськi породи швидкiсть розвитку електрокiнетичних процесiв i утворення активної зони кристализацiї в найбiльшiй мiрi залежить вiд густини струму мiж електродами, а коагуляцiйно-кристалiзацiйнi процеси в порах гiрських порiд визначають ефективнiсть їх водоiзолювання та закрiплення. На основi аналiза розподiлення електричного потенцiалу мiж електродами встановленi два типа змiнення величини градiєнта напруги в гiрських породах, якi залежать вiд структури та електричного опору грунта i впливають на процес течiї в порах розчину-електролiту. Основним контрольним параметром процесу електрообробки пористих гiрських порiд є питомий електричний опiр. Враховуючи розвиток процесу з часом, для будь якої точки в міжелектродному просторi питомий електричний опiр визначається за рiвнянням:



, (1)

де - електричний потенцiал, В; - геометрична густина струму, А/м²; - радiус електрода, м.

Дискретний процес пропускання електричного струму через грунти з метою їх закрiплення та водоiзолювання має сенс розглядати тiльки в глинах iз високою обмiнною ємнiстю (бiльше 600 мг/100 г). У таких грунтах при вiдключеннi електричного струму за рахунок перерозподiлу iонiв електрокинетичнi процеси затухають за експоненцiальним законом iз визначеним часом релаксацiї. Дискретний процесс електрохiмiчного тампонажу глинистих порiд у повнiй мiрi характеризується новим показником дискретностi:

, (2)

де - час пасивної та активної електрообробки грунта, с,

Розглядаючи спiввiдношення кiлькостi електрики, що пройшла крiзь грунт при безперервному та дискретному процесах, встановлена взаємозалежнiсть вiд показника дискретностi режимних i якiсних характеристик електрохiмiчного тампонажу глинистих грунтiв, а мiра економiї електроенергiї дорiвнює: .

При проведеннi електрохiмiчного тампонажу в пористих обводнених горизонтах з високим пластовим тиском необхiдно враховувати швидкiсть фiльтрацiї пiдземних вод. З цiєю метою змодельована та вирiшена задача течiї в'язкої рiдини у напiрному пористому масивi пiд дiєю електричного струму. Н'ютонiвська рiдина пiд час течiї в тонких капілярах виявляє в'язкопластичнi властивостi. Тому течiя розчину-електролiту в порах описується узагальненим рiвнянням Нав'є-Стокса. Аналiтично розглянутi гiдродинамiчний та електро-осмотичний рухи рiдини в пористому масивi при взаємо-перпендикулярних напрямках їх градiєнтiв. Одержана система рiвнянь в декартових координатах має вигляд:

, (3)

де - в'язкiсть рiдини, Пас; - компоненти швидкостi течiї рiдини, м/с; - градiєнта потенцiалу, В/м; - пластовий тиск, Па; - електричний потенцiал, В; - дiелектрична константа.

Вирiшення задачi виконано для моделей плоского та цiлiндричного капiлярiв при слiдуючих граничних умовах: за умови ; за умови ; , за умови ; , за умови ; де - розмiр капiляра, м; - розмiр ядра потоку для гiдродiнамiчної течiї та для електроосмосу, м; - електрокiнетичний потенцiал, В; - вiдстань до площини ковзання, м.

Для гiдродинамiчної течiї рiдини одержанi вiдомi рiвняння Воларовича-Гуткiна та Букiнгама-Рейнера. Пiд час електроосмотичної течiї розчину-електролiту в порах розмiр ядра потока має обернену залежнiсть вiд градiєнта напруги: . Тому в загальному випадку одержано рiвняння швидкостi руху рiдини в цилiндричному капiлярi пiд дiєю електричного струму в залежностi вiд градiєнта напруги, яке після спрощення має вигляд:

, (4)

де - величини, що характеризують електричнi та в'язкопластичнi властивостi рiдини.

Виходячи iз загальної залежностi для швидкостi електроосмосу , з рiвняння (4) витiкає, що коефiцiент електроосмосу пористих порiд має нелiнiйну залежнiсть вiд градiєнта напруги за рахунок виявлення в порах в'язкопластичних властивостей розчину, але пiсля досягнення порогового значення градiєнта напруги течiя рiдини є в'язкою, а коефiцiєнт електроосмосу є величина постiйна. Звiдки випливає, що управляти процесом течiї розчину-електролiту в пористому масивi необхiдно шляхом регулювання градiєнта напруги.

Для визначення сумарної швидкостi руху рiдини в пористому масивi пiд дiєю електричного струму одержано рiвняння, яке дозволяє розрахувати режимнi параметри управляємого електрохiмiчного тампонажу масива:

, (5)

де - коефiцiєнт електроосмосу, м²/Вс; - коефiцiєнт фiльтрацiї, м/с; I - градiєнт пластового напору; I₀ - початковий градiєнт фiльтрацiї.

Зробленi разрахунки згідно одержаного рівняння (5) показали, що при швидкостi фiльтрацiї пiдземних вод ~ 10^-7 м/с, для управлiння процесом електрохiмтампонажу напруга на електродах повинна перебiльшувати 330 В.

Дослiдження управляємого процесу течiї та структурування в'язко-пластичного розчину в трiщинуватих гiрських породах виконано з урахуванням необхiдностi цiльоспрямованого змiнення реологiчних властивостей рiдини в залежностi вiд часу. Управлiння гiдродинамiчними втратами тиску пiд час руху розчину в трiщинi досягається за рахунок змiнення динамiчного напруження зсуву розчину в процесi течiї. У початковий перiод найбiльш ефективно на реологiю глиноцементних розчинiв впливає силiкат натрiя. При цьому степенева функцiональна залежнiсть зсувних характеристик глиноцементної тампонажної системи вiд концентрацiї силiкату натрiя та часу найбiльш адекватно вiдображає закономiрнiсть структуроутворення. Аналiтично одержана залежнiсть втрат тиску пiд час течiї в трiщинi в'язкопластичного розчину вiд змiнення динамiчного напруження зсуву, кiлькостi структуроутворювача та часу:

, (6)

де R - радiус поширення розчину, м; - розмiр трiщини, м; - динамiчне напруження зсуву, Па; A, b - емпiричнi коефiцiєнти; T - час течiї розчину, с.

Ефективнiсть постановки iзоляцiйних завiс за контуром ствола у пористих та тріщинуватих водоносних породах визначається правильним вибором конструктивних елементiв завiси, в першу чергу її товщини, з урахуванням гiрничогеологiчних факторiв, властивостей тампонажних розчинiв та параметрiв технологiї.

В нестiйких пiщано-глинистих грунтах товщина зони закрiплення визначається величиною гiрського тиску, висотою прохiдницької заходки та зсувними властивостями закрiплених грунтiв. Виходячи iз гiдродинамiчного рiвняння руху в'язкопластичного розчину в порах i враховуючи змiнення розмiру останнiх пiд час кольматацiї, на базi залежностi (5) одержано рiвняння для розрахунку товщини завiси в пористих пiщаниках:

(7)

де - динамiчне напруження зсуву та в'язкiсть води, Па; - коефiцiєнт запасу; n - коефiцiєнт пористостi пiщаника; - густина води, кг/м³.

У трiщинуватому обводненому масивi формування протифiльтрацiйної завiси необхідно виконувати на заданiй вiдстанi вiд ствола, що визначається за рiвнянням:

, (8)

при цьому необхiдно додержуватися умови збереження крiплення ствола: де - критичний тиск на крiплення ствола, Па; - динамiчне напруження зсуву розчину з урахуванням часу та кiлькостi силiкату натрiя.

Експериментальнi дослiдження електрохiмiчного тампонажу гiрських порiд

Головною метою експериментальних дослiджень було - встановити закономiрнiсть розвитку процесу електрохiмiчного тампонажу нестiйких пiщано-глинистих та обводнених пористих порiд i при цьому визначити оптимальнi технологiчнi параметри. Розробленi експериментальнi стенди та методики проведення лабораторних дослiджень дозволяли виконати фiзичне моделювання процесу електрохiмiчного тампонажу нестiйких т7а пористих гiрських порiд у статичних умовах та з динамiчним режимом фiльтрацiї води. Узагальнення та аналiз результатiв дослiджень виконувалось методами математичної статистики з дотриманням правила геологiчної однорiдностi гiрських порiд у генетичному та стратиграфiчному вiдношеннях.

Результати моделювання електрохiмiчного тампонажу нестiйких пiщано-глинистих порiд iз безперервним пропусканням електричного струму дозволили обгрунтувати ефективнi режимнi та технологiчнi параметри, довести високу ступiнь необоротного закрiплення та водоiзолювання грунтiв, встановити загальну для лiтологiчно рiзних порiд закономiрность розвитку процесу в три стадiї по змiненню питомого електричного опору в мiжелектродному просторi. На зразках четвертичних глин з обмiнною ємнiстю бiльше 900 мг/100г виконано дослiдження процесу дискретного електро-хiмтампонажу. Технологiчнi параметри процесу завдавались по результатам для безперервного пропускання струму, а показник дискретностi змiнювали вiд 0,25 до 1,0, тривалiсть включення струму була 3; 6 та 12 годин. Загальний час електрообробки моделей становив 180 годин. Пiд час проведення дослiджень контролювався розвиток електрокiнетичних процесiв, а також закономiрнiсть релаксацiї залишкового потенцiалу. Встановлено, що кiнетика процесу аналогiчна безперервному режиму, а час релаксацiї залишкового потенцiалу становить 2,5 - 3 години. По результатам контрольних випробувань встановлена залежнiсть мiцностi та радiуса закрiплення глин вiд показника дискретностi i кiлькостi електрики, витраченої пiд час дискретного електрохiмiчного тампонажу (рис 1). З одержаних закономiрностей випливає, що застосування дискретного режиму електрообробки глинистих грунтiв без зниження якiсних характеристик технології доцiльно з показником дискретностi менше 0,35, що забезпечує економiю електроенергiї бiля 30% .

Виконанi експериментальнi дослiдження процесу електрохiмiчного тампонажу пiскiв та супiскiв iз змiненням полюсiв на електродах довели високу ефективнiсть закрiплення та водоiзолювання грунтiв в усьому мiжелектродному просторi, при цьому критерiєм змiни полярностi на електродах була стабiлiзацiя сили струму в колi, слабке поглинання розчину.

Водоiзолювання пористих пiщаникiв методом електрохiмiчного тампонажу виконувалось вперше. Для дослiджень були вiдiбранi найбiльш характернi для Донбасу пiщаники рiзної ступiнi лiтогенезу з дiльниць будiвництва вертикальних стволiв шахт. Загальна пористiсть пiщаникiв становила 15 - 27 %, а коефiцiєнт проникностi - (0,1 - 80) х 10^-16 м². Експериментально встановлено, що коефiцiєнт електроосмосу пористих пiщаникiв має нелiнiйну залежнiсть вiд градiєнта напруги, та практично пiсля значення 1 В/см коефiцiєнт електроосмосу не змiнюється (рис. 2). Цi результати добре спiвпадають iз теоретичними висновками. Також одержано, що максимальне значення коефiцiєнта електроосмотичної ефективностi пiщаникiв дорiвнює 0,47 м.

Моделювання електроосмотичної iн'єкцiї розчину-електролiту у високо-напiрнi пористi пiщаники були проведенi на стендi з перпендикулярним динамiчним потоком води. Вимiрювання швидкостi фiльтрацiї крiзь пористi породи виконувалось за умови рiзних режимiв. На рис. 3 представленi графiки змiнення швидкостi фiльтрацiї за умови різних значень проникності пористих порiд. Аналiз одержаних результатiв показує, що для пористих пiщаникiв з коефiцiєнтами фiльтрацiї менше 5х10^-7 м/с у пластi можливо установити стацiонарний фiльтрацiйний потiк розчину-електролiту за рахунок переваження електроосмосу над швидкiстю фiльтрацiї пiдземних вод, що забезпечує рiвновагомi умови для коагуляцiйно-кристалiзацiйних процесiв.

На зразках пористих пiщаникiв виконувалось моделювання електро-хiмiчного тампонажу: однорозчинна електросилiкатизацiя та електролiтична обробка. Пiд час експериментiв градiєнт напруги мiж електродами змiнювали вiд 0,6 до 4,5 В/см, в аноднi електроди iн'єктували силiкат натрiя з додатком кремнефтористоводневої кислоти або розчин хлористого кальцiя, час електрообробки становив вiд 6 дiб до 30 годин. Доведено, що закономiрнiсть розвитку процесу має три стадiї i аналогiчна установленiй для пiщано-глинистих порiд, найбiльш ефективне значення густини струму становить 8 - 10 А/м², градiєнта напруги - 3,5 - 4,2 В/см; оптимальний розчин - силiкат натрiя з додатком кремнефтористоводневої кислоти густиною 1,04 х 10³ кг/м³, час пропускання струму - 28 - 32 години, при цьому ступiнь необоротної водоiзоляцiї пористих пiщаникiв досягає 50 - 60 разiв. Змiнення властивостей пористих пiщаникiв після електрохімтампонажу дано у табл. 1.

Таблиця 1 - Результати моделювання електрохiмiчного тампонажу пористих пiщаникiв (у знаменнику наведенi початковi властивостi)

Мiсце вiдбору зразкiв	Градiєнт напруги, В/см	Загальна порис-тiсть, %	Коефiцiєнт проникностi, м2х10-16	Питомий електричн опiр, Ом·м	Радiус водоiзолювання, см
1. Ш. "Луганська - 1"	4,0	14-17 18-20	0,01-02 0,1-5,4	130-150 50-70	7,0-7,2
2. ШУ "Жовтневе"	4,0	12-17 15-21	0,07-0,15 0,4-12	124-135 58-75	7,0-7,5
3. Ш. "Трудовська"	4,2	15-18 18-27	1-2 20-80	102-115 60-90	6,5-7,5

На пiдставi узагальнення та систематизацiї iнженерно-геологiчних властивостей усiх типiв нестiйких грунтiв та результатiв експериментальних дослiджень для пiщано-глинистих порiд вдосконалена класификацiя по ступеням їх придатностi для закрiплення та водоiзолювання за рахунок дiї електричного струму. По результатам широкого вивчення водопровiдних характеристик пористих пiщаникiв та їх взаємозалежностi для вуглепромислових районiв Донбасу по коефіцієнту проникності обгрунтована область застосування електрохiмiчного тампонажу (табл. 2).



Таблица 2 - Область застосування електрохiмiчного тампонажу пористих пiщаникiв

Вуглепромислові райони	Проникність піщаників, м2х10-15
	> 102	102-10	10-1	1-10-1	10-1-10-2
Донецько-Макіївський
ШУ “Жовтневе”		22 ***************************************
Ш. “Бутовка-Донецька”		52 *****************************************
Ш. “Трудовська”	120 **************************************************
ШУ “Курахівське”	81	*********************************************
Червоноармійський
Ш. ім. Стаханова		19 **************************************
Ш. “Червоноармійська-Західна”		32 *****************************************
Лисичанський
Ш. ім. Мельникова	416 *********************************************************
Луганський
Ш. “Луганська-1”		20 ****************************************
Ш. “Горська”		18 ***************************************
		Область электрохімічного тампонажу

Експериментальнi дослiдження параметрiв формування завiси у трiщинуватих породах

Формування протифiльтрацiйної завiси за контуром ствола у трiщину-ватих породах виконується в гiрничому масивi на вiдстанi вiд крiплення, а процес течiї в'язкопластичного розчину здiйснюється у структурному режимi та завдається його реологичними параметрами. Для цього було необхiдно експериментально встановити залежностi реологiчних характеристик розчину вiд вмiсту силiкату натрiя та часу.

Лабораторнi дослiдження виконувались по iснуючим методикам, якi використовуються у ДВАТ "Спецтампонажгеологiя", для глиноцементних розчинiв на базi Дружковської та Федорiвської глин iз вмiстом цементу - 100 кг/м³, а кiлькiсть структуроутворювача змiнювали вiд 0 до 15 кг/м³. Для такого складу глиноцементних розчинiв експериментально встановленi залежностi динамiчного напруження зсуву, статичного напруження зсуву та пластичної мiцностi вiд вмiсту силiкату натрiя та часу. Одержанi закономiрностi для характеристик глиноцементних розчинiв дозволяють цiльоспрямовано регулювати їх властивостi у процесi течiї в трiщинi. Експериментальнi данi пiдлягали комп'ютернiй обробцi з метою одержання степеневих емпiрiо-аналiтичних залежностей, що мають вигляд:

для динамiчного напруження зсуву:

, (9)

для статичного напруження зсуву:

, (10)

для пластичної мiцностi:

(11)

де С - концентрацiя силiката натрiя, кг/м³; t - час у хвилинах.

Експериментальнi дослiдження управляємого процесу течiї глиноце-ментних розчинiв у трiщинi виконувались з метою перевiрки одержаних аналiтичних залежностей для розрахунку властивостей розчинiв та втрат тиску по довжинi трiщини за рівнянням (6).

Дослiдження проводились iз додержанням основних принципiв фiзичного моделювання. Обгрунтовано, що пiд час розглядання двох процесiв течiї в'язко-пластичної рiдини на натурi та на моделi необхiдно i достатньо витримувати рiвнiсть узагальненого числа Рейнольдса:

, (12)

де - швидкiсть течiї рiдини, м/с; L - лiнiйний параметр, м; - динамiчна в'язкiсть рiдини, Пас; - динамiчне напруження зсуву, Па; - густина, кг/м³.

Звiдки витiкає, що для фiзичного моделювання процесу течiї глиноце-ментного розчину в трiщинi необхiдно установити коефiцiєнти подiбностi: K_t = 1; K_L = K_V . Виходячи iз геометричних параметрiв стенда, швидкiсть течiї розчину треба зменшити у 20 разiв.

На експериментальному стендi дослiдження проводились для трьох значень розкриття трiщини: 4; 5; 6 мм, а тиск води у стендi установлювався 0,05 МПа. Для кожного варiанту моделювання процесу течiї розчину розрахованi значення часу течiї, кiнцевого динамiчного напруження зсуву та концентрацiї силiкату натрiя. Обгрунтовано структурний режим течiї розчину в стендi, оскiльки зародження турбулентного режиму течiї глиноцементних розчинiв виникає при значеннях критичного числа Рейнольдса

, (13)

де He - параметр Хюдстрема.

Умови моделювання процесу течiї в стендi наведенi в табл. 3.

Таблиця 3 - Параметри моделювання течiї розчину в трiщинi

№	Розкриття трiщини, мм	Радiус стенда, м	Час течiї розчину, хвилина	Кiнцеве динамiч. напруж. зсуву, Па	Вмiст силiкату натрiя, кг/м3	Параметр Хюдст-рема
1	4	0,5	26,5	200	12	373
2	5	0,5	26,5	250	17	478
3	6	0,5	26,5	300	20	541



Пiд час нагнiтання глиноцементного розчину в трiщину на протязi розрахованого часу по чотирьом напрямкам вимiрювались втрати тиску системою зразкових манометрiв: . Пiсля статистичної обробки експериментальних даних для трьох варiантiв моделювання здiйснювалось їх порiвняння з розрахованими значеннями втрат тиску по рiвнянню (6). Найбiльш характернi данi для розкриття трiщини 5 мм наведенi в табл. 4.

Таблиця 4 - Порiвняння експериментальних та розрахованих тискiв

Параметр	Радiус поширення розчину, м
	0,02	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
Фактичний тиск, кПа	87,6	78,2	70,0	65,0	59,0	52,0
Розрахований тиск, кПа	79,5	74,4	67,8	62,2	56,0	50,0

Статистичний аналiз експериментальних та розрахованих значень втрат тиску в трiщинi показує, що вiдносна похибка розрахунку по рiвнянню (6) не перевищує 10% i з iмовiрнiстю 0,95 можливо використовувати розрахованi значення втрат тиску в трiщинi при практичних постановках протифiльтра-цiйних завiс. Отже, експериментально доведена можливiсть зупинки тампонаж-ного розчину на заданiй вiдстанi вiд свердловини через установлений час завдяки змiненню його реологiчних властивостей.

Розробка методик проектування, технiки та технологiчних схем лiквiдацiї залишкових водоприпливiв

Проектування комплексу тампонажних робiт по лiквiдацiї залишкових водоприпливiв iз пористих i трiщинуватих та закрiплення нестiйких гiрських порiд за контуром шахтного ствола мiстить у собi наступнi основнi етапи:

· збiр, узагальнення i обробку iнженерно-технiчної та геологiчної iнформацiї про ствол, що споруджується або експлуатується, та властивостях гiрських порiд;

· бурiння контрольно-технiчних свердловин, гiдродинамiчнi дослiдження в свердловинах, вивчення воднофiзичних властивостей гiрських порiд;

· iнженерний розрахунок технологiчних та режимних параметрiв формування водоiзоляцiйної завiси за контуром ствола.

На базi встановлених закономiрностей течiї розчину-електролiту в пористих та глиноцементного розчину у трiщинуватих гiрських породах розробленi новi методики проектування параметрiв протифiльтрацiйних завiс для лiквiдацiї залишкових водоприпливiв. Методики включають в себе розрахунки: конструктивних параметрiв завiси (форма, геометричнi розмiри, кiлькiсть свердловин); режимних параметрiв (рецептура розчину, сила струму, тиск нагнiтання); технологiчнi параметри (об'єм розчину, час iн'єкцiї тощо), що дозволяє обгрунтовано та ефективно виконати тампонажнi роботи.

Технiчне забезпечення робiт по електрохiмiчному тампонажу нестiйких та пористих порiд полягало в розробцi енергетичного та розчинного блокiв, нових технічних засобiв. Енергетичний блок потужнiстю 670 кВА розроблено на базi стандартного шахтного обладнання, вiн забезпечує електродну мережу регульованою напругою до 460 В та силою струму 1200 А; джерелом постiйного струму вибранi тиристорнi перетворювачi ТПЕ-630/460. Живлення випрямляючих мостiв здiйснюється вiд пiдстанцiй ТСВП-250/6. Для застосування електрохiмiчного тампонажу глин, пiскiв, пористих пiщаникiв iз вертикального ствола шахти спiльно з МакНДI та НДIВЕ виконанi розробка, виготовлення та випробування технiчних засобiв: апарат захисту АЗВ, розподiльчi коробки КРВ-630 та КЕВ-200, електрод-iн'єктор, пульт управлiння, датчик водню.

Виходячи із технiчних характеристик обладнання, розробленi техноло-гiчнi схеми електрохiмiчного тампонажу нестiйких та пористих порiд: з поверхнi, з тимчасового помосту та з вибою ствола. Передбачається головне енергообладнання розташувати на поверхнi, в стволi здiйснюється монтаж кабелiв та напiрних трубопроводiв, встановлення контрольної апаратури, бурiння похило-спрямованих свердловин, установка та обв'язка електродiв - iн'єкторiв. Енергоблок працює в автоматичному режимi, а електрообробка гiрських порiд у стволi здiйснюється по безлюднiй технологiї.

При заляганнi нестiйких та пористих порiд потужними шарами електрохiмiчний тампонаж виконується заходками до 15 м "зверху - вниз".

Враховуючи принципово новий пiдхiд пiд час проведення електрохiмiчного тампонажу гiрських порiд у стволi шахти, виконано забезпечення безпечних умов шляхом захисту людей вiд поразки електричним струмом, контроля повiтряного струменя та концентрацiї водню i метану, вивчення розподiлення потенцiалу в гiрничому масивi пiд час електрообробки та пiсля неї. Згiдно з вимогами "Правил безпеки у вугільних шахтах" у енергоблоцi передбачена система спецiальних блокувань напруги постiйного струму з швидкодiєю 0,2 с. Замiри залишкового потенцiалу пiсля електрохiмiчного тампонажу гiрських порiд дали значення не бiльше 300 мВ, а сила струму не перебiльшувала 5 мА. На пiдставi виконаних дослiджень, розробок, промислових випробувань та впроваджень МакНДI та Держпроматомнагляд дали висновки про безпечнiсть розробленої технологiї та можливостi її широкого застосування в шахтному будiвництвi.

Пiд час лiквiдацiї залишкових водоприпливiв iз трiщинуватих колекторiв технологiчнi схеми враховують гiрничогеологiчнi умови, перш за все орiєнтацiю систем трiщинуватостi, реологiчнi властивостi глиноцементного розчину, тампонажне обладнання та стан крiплення ствола. В зв'язку з цим тампонажний комплекс завжди розташований на поверхнi, а розчин по трубопроводу подається в похилi свердловини. Спорудження тампонажних свердловин можливо: з поверхнi, з гiрничої виробки, з помосту та з вибою ствола. Порядок бурiння свердловини та нагнiтання в них глиноцементного розчину приймається в залежностi вiд потужностi обводненого горизонту, характера трiщинуватостi, наявностi великих трiщин, напряму течії i дебiту пiдземних вод. Найчастiше виконуються роботи по чергово-протилежнiй схемi бурiння з послiдовним нагнiтанням розчину. Обладнання тампонажного вузла i свердловин виконується по технологiї комплексного методу тампонажу. Розробленi технологiчнi схеми лiквiдацiї залишкових водоприпливiв дозволяють швидко, без спорудження тампонажних подушок, через мiнiмальну кiлькiсть похилих свердловин гарантовано подавити водоприплив у ствол.

Впровадження результатiв дослiджень

Промислове впровадження результатiв дослiджень та технологiчних розробок успiшно виконано на п'яти вертикальних стволах шахт. Пiд час спорудження вентствола N 6 АТ "Обуховське" дiаметром 7 м електрохiмiчний тампонаж нестiйких глин потужнiстю 15 м здiйснено з поверхнi. Через 90 свердловин було закачано 102 м³ силiкату натрiя i хлористого кальцiя, що дозволило пiдвищити мiцнiсть глин з 0,04 до 0,5 МПа, зменшити водоприплив у ствол з 3 до 0,5 м³/г та виконати крiплення устя ствола бетоном.

У вентиляцiйному стволi № 3 Артемiвського алебастрового комбiнату на глибинi 22 м виникла аварiйна ситуацiя: проривання пливунного суглинку у ствол, розрив крiплення. З метою закрiплення нестiйких порiд на вибiй ствола була покладена бетонна подушка завтовшки 2 м, через яку в 52 свердловинах виконаний електрохiмiчний тампонаж в iнтервалi 22 - 27 м. Напруга на електродах дорiвнювала 45 - 80 В, а густина струму - 12 - 15 А/м², загальний об'єм розчину силiкату натрiя та хлористого кальцiя - 78,8 м³, час електрообробки - 422 години. Внаслiдок - мiцнiсть порiд досягла 0,65 МПа, водоприплив зменшено до 0,1 м³/ч, що дозволило здiйснити проходку ствола та довести надiйнiсть i безпечнiсть електрохiмiчного тампонажу у вертикальному стволi.

Вперше в практицi шахтного будiвництва лiквiдацiя залишкового водоприплива iз пористого пiщаника методом електрохiмiчного тампонажу виконувалась пiд час будiвництва ствола шахтоуправлiння "Жовтневе" (Донецквугiлля) в iнтервалi 267 - 282 м. Електрохiмiчний тампонаж здiйснювався через 58 похилих свердловин, в якi були установленi електроди - iн'єктори дiаметром 42 мм. За умови напруги на електродах 400 В було закачано 32,7 м³ силiкатного розчину густиною 1,04х10³ кг/м³, витрати електроенергiї на 1 м³ обробленого пiщаника становлять - 58,5 кВтч, час виконання робiт - 1,6 мiсяця. Контроль якостi показав: закономiрнiсть розвитку процесу спiвпадає з лабораторною, а водоприплив у ствол в iнтервалi 267 - 282 м зменшений з 10 до 0,5 м³/г; доведена безпечнiсть технологiї електрохiмiчного тампонажу.

Лiквiдацiя залишкових водоприпливiв iз трiщинуватих гiрських порiд глиноцементними розчинами здiйснена при поглибленнi клiтьового ствола шахти "Торецька" (Дзержинсквугiлля) в iнтервалi 971 - 1020 м та під час будiвництва допомiжного ствола N 2 шахти "Ювiлейна" (Ростоввугiлля) в інтервалі 733 - 743,6 м. Тампонажнi роботи у стволi шахти "Торецька" виконанi в двi заходки з тимчасового помосту через 9 похилих свердловин глибиною до 52 м. Технологiя приготування та нагнiтання глиноцементного розчину ураховувала змiнення його реологiчних властивостей залежно вiд часу та кiлькостi силiкату натрiя. Усього було закачано 403 м³ розчину, у результатi водоприплив був знижений з 42 до 4,2 м³/ч. У стволi шахти "Ювiлейна" з прохiдницького помосту було пробурено 5 тампонажних свердловин глибиною до 34 м, в якi послiдовно закачано 240 м³ глиноцементного розчину, водоприплив був знижений з 28 до 4,5 м³/ч.

...