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

Позитивнi результати промислового впровадження нових технологiй лiквiдацiї залишкових водоприпливiв та закрiплення гiрських порiд при будiвництвi вертикальних стволiв пiдтверджують правильнiсть теоретичних та експериментальних дослiджень, технологiчних розробок.

ВИСНОВКИ

Дисертацiя є завершеною науковою роботою, в якiй розробленi теоретичнi та експериментальнi положення по встановленню закономiрностей формування протифiльтрацiйних завiс-екранiв у нестiйких пiщано-глинистих, обводнених пористих та трiщинуватих гiрських породах, новi науково-обгрунтованi методики проектування технологiчних і режимних параметрiв та технологiчні схеми постановки гiдроiзоляцiйних завiс пiд час лiквiдацiї залишкових водоприпливiв у вертикальнi стволи шахт, сукупнiсть яких можна квалiфікувати як нове досягнення у розвитку перспективного напрямку спецiальних способiв будiвництва шахтних стволiв у рамках комплексного методу тампонажу, що пiдвищує ефективнiсть гiрничо-прохiдницьких робiт та технiко-економiчнi показники експлуатацiї вертикальних стволiв.

Основнi науковi, методичнi та практичнi результати, висновки i рекомендацiї полягають в наступному:

1. Доведено, що густина струму мiж системою електродiв - iн'єкторiв визначає ефективнiсть розвитку електрокiнетичних процесiв та якiсть електрохiмiчного тампонажу гiрських порiд, встановленi два типи змiнення електричного потенцiалу в породах. Головним контрольним параметром процесу електрохiмiчного тампонажу є питомий електричний опiр гiрських порiд, в закономiрностi змiнення якого видiленi три стадiї перебiгу iн'єкцiйно-коагуляцiйно-кристалiзацiйних процесiв.

2. Теоретично та експериментально обгрунтовано, що висока обмiнна ємнiсть глинистих грунтiв забезпечує пiд час вiдключення електричного струму експоненцiальне затухання електрокiнетичних процесiв з визначеним часом релаксацiї. Тривалiсть вiдключення електричного струму i мiра економiї електроенергiї залежать вiд показника дискретностi процесу, який аналiтично зв'язаний з режимними та якiсними характеристиками електрохiмтампонажу порiд. Доведено, що максимальний час релаксацiї залишкового потенцiалу становить 2,5 - 3 години, а оптимальне значення показника дискретностi не перебiльшує 0,35.

3. На основi принципiв фiзичного моделювання гiрських процесiв доведено, що лабораторне моделювання електрохiмiчного тампонажу пористих порiд необхiдно виконувати на природних зразках для забезпечення подiбностi фiзико-хiмiчних процесiв електроiн'єкцiї, коагуляцiї та кристалiзацiї з дотриманням рiвностi режимного числа i збереженням реологiчних властивостей розчину та часу процесу на моделi і в натурi.

4. Сформульована та вирiшена задача по визначенню швидкостi фiльтрацiї в'язкої рiдини у напiрному пористому горизонтi пiд дiєю постiйного електричного струму. Встановлена загальна нелiнiйна залежнiсть коефiцiєнта електроосмосу вiд градiєнта напруги за рахунок виявлення в порах в'язкопластичних властивостей розчину-електролiту; експериментально доведено, що пiсля досягнення порогового значення градiєнта напруги 1 В/см коефiцiєнт електроосмосу для лiтологiчно рiзних пористих пiщаникiв є величина постiйна, а рiдина в порах виявляє тiльки в'язкi властивостi.

5. Уперше експериментально доведена принципова можливiсть водоiзолювання пористих пiщаникiв методом електрохiмiчного тампонажу. Шляхом фiзичного моделювання на зразках пористих пiщаникiв доведено, що закономiрнiсть розвитку процесу аналогiчна встановленiй для пiщано-глинистих порiд; обгрунтованi оптимальнi режимнi параметри: густина струму, градiєнт напруги, мiжелектродна вiдстань та час електрообробки; вибранi ефективнi розчини - електролiти, доведена висока ступiнь необоротної водоiзоляцiї пористих порiд.

6. Для пористих пiщаникiв з коефiцiєнтами фiльтрацiї менше 5x10^-7 м/с у напiрному водоносному пластi установлюється стацiонарний фiльтрацiйний потiк розчину - електроліту за рахунок переваги електроосмосу над швидкiстю фiльтрацiї пiдземних вод, що забезпечує рiвновагомi умови для коагуляцiйно - кристалiзацiйних процесiв та запобiгає вимиванню розчину.

7. На пiдставi результатiв експериментальних дослiджень, аналiза та узагальнення численних даних про властивостi нестiйких та пористих порiд удосконалена класификацiя пiщано-глинистих порiд по ступеню їх придатностi для закрiплення та водоiзолювання за рахунок дiї електричного струму, а для пористих пiщаникiв рiзної ступенi лiтогенезу по коефіцієнту проникності обгрунтована область застосування електрохiмiчного тампонажу.

8. Для глиноцементних тампонажних розчинiв одержанi емпiрiо-аналiтичнi степеневі залежностi динамiчного напруження зсуву, статичного напруження зсуву та пластичної мiцностi вiд вмiсту структуроутворювача i часу течiї; аналiтично встановлена нова залежнiсть гідродинамiчних втрат тиску розчину у трiщині вiд просторово-часових характеристик течiї та реологiчних властивостей розчину. Експериментальна перевiрка нових залежностей пiдтвердила можливiсть управлiння рухом та зупинкою глино-цементних розчинiв у трiщинах через зазначений час на установленiй вiдстанi за рахунок змiнення динамiчного напруження зсуву за часом та вiд концентрацiї структуроутворювача.

9. На базi аналiтико-диференцiйного пiдходу розробленi науково-обгрунтованi методики проектування тампонажних робiт пiд час лiквiдацiї залишкових водоприпливiв iз пористих та трiщинуватих i закрiпленнi пiщано-глинистих гiрських порiд, котрi забезпечують повний iнженерний розрахунок параметрiв процесу постановки протифiльтрацiйних завiс-екранiв за контуром ствола на базi нових наукових та технологiчних розробок.

10. Iнженерно - обгрунтований вибiр стандартного шахтного обладнання дозволив створити потужний багатофункцiональний енергетичний блок для електрохiмiчного тампонажу гiрських порiд як з поверхнi, так i з вертикального ствола, електричне коло якого по змiннiй та постiйнiй сторонi захищенi принципово новим апаратом АЗВ. Розробленi технологiчнi схеми електрохiмiчного тампонажу нестiйких та пористих порiд з поверхнi та зi стволу через свердловини, пробуренi за контур виробки, комплекс спецiальних технiчних засобiв та технологiчних заходiв для безпечного ведення робiт.

11. Ефективнiсть наукових дослiджень та технологiчних розробок пiдтверджено позитивними результатами промислового випробування нових технологiй. Вперше в практицi шахтного будiвництва виконанi промисловi роботи по електрохiмiчному тампонажу: при закрiпленнi глинистих порiд з поверхнi на вентстволi № 6 АТ "Обуховське" та iз вибою вентствола № 3 Артемiвського алебастрового комбiнату; пiд час лiквiдацiї залишкового водоприплива iз пористого пiщаника на глибинi 267 м у стволi ШУ "Жовтневе" (Донецьквугiлля). Нова технологiя лiквiдацiї залишкових водоприпливiв iз трiщинуватих гiрських порiд успiшно впроваджена пiд час поглиблення клiтьового ствола шахти "Торецька" та будiвництвi допомiжного ствола № 2 шахти "Ювiлейна", доведена оперативнiсть та ефективнiсть водоподавлення, безпечнi умови роботи в стволi, збереження бетонного крiплення та економiчна доцiльнiсть тампонажу глиноцементними розчинами.

12. Створення комплексу нових технологiй - водоподавлення у трiщинуватих та електрохiмiчного тампонажу у пористих i пiщано-глинистих породах, є вирiшенням значної прикладної проблеми по лiквiдацiї залишкових водоприпливiв у вертикальнi стволи з рiзних колекторiв, що дозволяє пiдвищити ефективнiсть шахтного будiвництва за рахунок збiльшення темпiв гiрничо-прохiдницьких робiт та замiни тюбiнгового крiплення на бетонне, також суттєво покращити технiко-економiчнi показники експлуатацiї стволiв та шахт в цiлому.

ОСНОВНI ПОЛОЖЕННЯ I РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦIЇ ОПУБЛIКОВАНI В НАСТУПНИХ РОБОТАХ:

Должиков П.Н. Исследование нестационарного процесса структуро-образования глиноцементных тампонажных растворов// Науковий вiсник НГА України. - 1998. - № 3. - c.8-9.

Должиков П.Н. Применение электрохимического тампонажа суглинка при прохождении вертикального ствола: Сб. научн. тр.: Научно-технические проблемы строительства и охраны горных выработок. - Новочеркасск: НГТУ, 1996. - с. 72-75.

Кипко Э.Я., Спичак Ю.Н., Должиков П.Н. Электрохимический тампонаж неустойчивых обводненных грунтов// Бюллетень строительной техники. - 1990. - № 12. - с. 20.

Кипко Э.Я., Спичак Ю.Н., Должиков П.Н., Цаплин Е.Г. Стабильные закладочные смеси на базе отходов горного производства // Уголь Украины. - 1998. - № 1. - с. 43-44.

Должиков П.Н., Озерин А.М. Ликвидация остаточного водопритока при строительстве вертикального ствола шахты: Сб. научн. тр.: Научно-технические проблемы строительства вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок. - Новочеркасск: НГТУ, 1998. - с. 129-133.

Кипко Э.Я., Спичак Ю.Н., Должиков П.Н., Пожидаев С.В., Уманский Р.З. Использование отходов для заполнения выработанного пространства закрываемых шахт // Уголь Украины. - 1998. - № 6. - с.13-14.

Смородин Г.М., Должиков П.Н., Иващенко С.Н.Ликвидация водопритока в устьевой части наклонного ствола: Сб. научн. тр.: Совершенствование разработки угольных месторождений. - Шахты: Ростовское НПИ “Недра”, 1994. - с. 51-54.

Полозов Ю.А., Должиков П.Н. Разработка вопросов техники безопасности при электрохимическом тампонаже горных пород: Сб. научн. тр.:Научно-технические проблемы разработки месторождений, строительства и охраны горных выработок.- Новочеркасск: НГТУ, 1997. - с. 96-100.

Должиков П.Н. Водоизоляция пористых песчаников методом электрохимического тампонажа. // Приднепровский научный вестник. - 1998. - № 55 (122). - с. 42-45.

Должиков П.Н. Исследование электроосмоса в пористых песчаниках с напорным режимом фильтрации: Сб. научн. тр. Национальной горной академии Украины. - Днепропетровск: НГА Украины, 1999. - № 6. - т.4. - с. 103-105.

Должиков П.Н., Попов И.В., Сыркин П.С. Водоизоляция и упрочнение неустойчивых горных пород методом высоконапорного струйного тампонажа: Сб. научн. тр.: Научно-технические проблемы строительства и охраны горных выработок. - Новочеркасск: НГТУ, 1996. - с. 69-72.

Должиков П.Н. Ресурсосберегающий способ укрепления оснований шахтных стационарных установок // Гірнича електромеханіка та автоматика: Науково-техн. зб. - Дніпропетровськ: НГА України, 1999. - №2(61) - с.276-278.

Кипко Э.Я., Должиков П.Н., Щербаченко Д.В. Закрепление грунтов основания фундамента инженерного корпуса СВЗ: Сб. научн. тр.: Научно-технические проблемы строительства вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок. - Новочеркасск: НГТУ, 1998. - c. 245-252.

Должиков П.Н. Автоматизация процесса электрохимического тампонажа неустойчивых и пористых горных пород // Гірнича електромеханіка та автоматика: Науково-техн. зб. - Дніпропетровськ: НГА України, 1999. - №2(61) - с.288-290.

Должиков П.Н. Разработка и внедрение метода электрохимического тампонажа горных пород: Сб. научн. тр.: Научно-технические проблемы разработки твердых полезных ископаемых юга России. - Шахты: Ростовское НПИ “Недра”, 1999. - с. 308-312.

Должиков П.Н. Определение толщины противофильтрационной завесы в пористых горных породах. // Приднепровский научный вестник. - 1998. - № 55 (122). - с. 51-54.

Кипко Э.Я., Должиков П.Н., Озерин А.М. Разработка методики проектирования ликвидации остаточных водопритоков в вертикальные стволы шахт: Сб. научн. тр.: Научно-технические проблемы разработки твердых полез-ных ископаемых юга России. - Шахты: Ростовское НПИ "Недра", 1999. - с.152-156.

Должиков П.Н. Применение силикатных растворов при электрохимическом тампонаже. - Научно-техн. реф. сб. ЦБНТИ. - М. - ЦНИЭИ уголь, 1989. - № 2. - с. 22-24.

Должиков П.Н., Матлаев В.А. Перспективы применения ресурсосберегающей технологии при строительстве шахтных стволов // Тезисы докл. Всесоюзн. научн.-техн. совещания. - М.:ВИТГО, 1990. - с.66-68.

Кипко Э.Я., Полозов Ю.А., Спичак Ю.Н., Должиков П.Н. Новый метод электрохимического тампонажа обводненных неустойчивых пород пристроительстве горных выработок // Тезисы докл. Всесоюзн. совещ.: Применение водоподавления при сооружении капитальных горных выработок. - Донецк: ЦБНТИ, 1990. - с. 25-27.

Кипко Э.Я., Смородин Г.М., Должиков П.Н. Способы предупреждений и ликвидации техногенно-экологических катастроф на аварийно-опасных промышленных и гражданских сооружениях. // Матер. конф. "Основные направления обеспечения безопасности населения и устойчивости функционирования хозяйства Украины при угрозе возникновения природных и техногенных катастроф". - ч. 2. - К.: УДНТЗ, 1997. - с. 74-76.

Кипко Э.Я., Спичак Ю.Н., Должиков П.Н. Решение экологических проблем промышленных предприятий методами водоизоляции грунтов // Матер. III конференции стран СНГ "Экология-98". - Северодонецк: Химтехнология, 1998. - с. 97-98.

Кипко Э.Я., Спичак Ю.Н., Полозов Ю.А., Должиков П.Н. Водоизоляция и укрепление грунтовых дамб и плотин инъекционными растворами // Матер. международной конф. "Нагальнi проблеми лiквiдацiі пiдтоплення грунтовими водами територiй мiст i селищ мiського типу України". - К.: Знання, 1998. - с. 29-31.

Патент України № 11576 МКВ Е21 D11/38. Спосiб водоiзолювання гiрничих виробок у пористих пiщаниках // Е.Я. Кiпко, Ю.А. Полозов, В.А. Лагунов, П.М. Должиков. Заявл. 02.08.85; Опубл. 25.12.96; Бюл. № 4.

А.С. № 1582942 СССР. МКИ НО2 Н 3/16. Устройство защиты от однополюсных утечек на землю в кабельной сети // Ю.А. Полозов, П.Н. Должиков, А.И. Мясоедов, В.П. Кононенко, Г.А. Леонтьев, Б.Ф.Филатов.Заявл. 14.11.88; Опубл. 01.04.90.

Патент України № 11556 МКВ Е21D11/38, Е02D3/11 Спосiб электрохiмiчного тампонажу гiрських порiд // Е.Я. Кiпко, Ю.А. Полозов, Ю.М. Спiчак, П.М. Должиков. Заявл. 18.09.89; Опубл. 25.12.96; Бюл. № 4.

А.С. № 1817557 СССР. МКИ G 01 R31/08. Способ контроля повреждений изоляции кабеля в сети электрохимического тампонажа с глухо-заземленными полюсами выпрямителя и устройство для его осуществления // Е.В. Сергин, В.П. Кононенко, Э.Я. Кипко , Ю.А. Полозов, Ю.Н. Спичак, П.Н. Должиков, А.И. Мясоедов. Заявл. 13.02.90; Опубл. 11.10.92.

Патент України № 13270 МКВ Е 21 D 11/38. Электрод-iн'єктор для электрохімічного тампонажу гiрських порiд // Е.Я. Кiпко, Ю.А.Полозов, Ю.М. Спiчак, П.М. Должиков, А.І. Мясоєдов. Заявл. 13.02.90; Опубл. 28.02.97; Бюл. № 1.

Особистий внесок автора в роботах, що опублiкованi у спiвавторствi полягає в наступному: /3, 4, 6, 17/ - математичне обгрунтування, проведення експериментальних дослiджень, /7, 8, 11/ - постановка задач дослiджень, проведення лабораторних та натурних робiт, /5, 13, 23/ - проектнi рiшення, виконання промислових робiт, аналiз результатiв, /19 - 22/ - обгрунтування методу, постановка експериментальних дослiджень, аналiз результатiв, /24 - 28/ - математичнi розрахунки, проведення лабораторних дослiджень, розробка моделей, аналiз результатiв.

АНОТАЦIЯ

Должиков П.М. Лiквiдацiя залишкових водоприпливiв i закрiплення нестiйких гiрських порiд пiд час будiвництва та експлуатацiї вертикальних шахтних стволiв. - Рукопис.

Дисертацiя на здобуття наукового ступеня доктора технiчних наук за спецiальнiстю 05.15.04 - "Шахтне та пiдземне будiвництво". Нацiональна гiрнича академiя України. Днiпропетровськ. - 1999.

Захищаються результати теоретичних та експериментальних дослiджень по встановленню закономiрностей управляємого формування протифiльтрацiйних завiс - екранiв за контуром вертикального ствола в нестiйких пiщано-глинистих, напiрних пористих та трiщинуватих гiрських породах, методики проектування параметрiв та технологiчнi схеми лiквiдацiї водоприпливiв у вертикальнi стволи шахт.

Встановленi особливостi течiї розчинiв-електролiтiв у напiрних пористих горизонтах пiд дiєю постiйного струму та глиноцементних розчинiв з реологiч-ними властивостями, що змiнюються, у трiщинуватих гiрських породах; розробленi технiчнi засоби та новi технологiї лiквiдацiї залишкових водопри-пливiв та закрiплення нестiйких порiд, що вiдображено в 18 статтях, 5 тезах доповiдей, 5 винаходах.

Ключовi слова: ствол, залишковi водоприпливи, пористi пiщаники, трiщинуватi породи, свердловина, електрохiмiчний тампонаж, глиноцементний розчин.

АННОТАЦИЯ

Должиков П.Н. Ликвидация остаточных водопритоков и укрепление неустойчивых горных пород при строительстве и эксплуатации вертикальных шахтных стволов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специльности 05.15.04 - "Шахтное и подземное строительство". Национальная горная академия Украины. Днепропетровск. - 1999.

Защищаются результаты теоретических и экспериментальных исследований по установлению закономерностей управляемого формирования противофильтрационных завес-экранов за контуром вертикального ствола в неустойчивых песчано-глинистых, напорных пористых и трещиноватых горных породах, методики проектирования параметров и технологические схемы ликвидации остаточных водопритоков в вертикальные стволы шахт.

Для неустойчивых глинистых грунтов с высокой обменной емкостью теоретически и экспериментально обоснован способ дискретного электрохимического тампонажа, введен новый показатель дискретности процесса, доказано, что его оптимальное значение составляет 0 ё 0,35. Впервые выполнен электрохимический тампонаж мелкопористых песчаников: установлена закономерность развития процесса, обоснованы режимные параметры, доказана высокая степень необратимой кольматации пор. Теоретическое решение задачи о движении вязкой жидкости в напорном пористом горизонте под действием электрического тока и результаты экспериментальных исследований позволили разработать принципы управляемого формирования завесы за контуром ствола и обосновать область применения электрохимического тампонажа в пористых песчаниках Донбасса.

Аналитически получена новая зависимость гидродинамических потерь давления раствора в трещине от пространственно-временных характеристик течения и реологических свойств вязкопластичного раствора, экспериментальная проверка которой подтвердила возможность управления процессом движения и остановки глиноцементных растворов в трещинах через заданное время на установленном расстоянии от ствола.

На базе установленных особенностей течения растворов - электролитов в напорных пористых горизонтах под действием постоянного тока и глиноцементных растворов с изменяющимися реологическими свойствами в трещиноватых горных породах разработаны новые методики проектирования, технические средства и новые технологии ликвидации остаточных водопритоков и укрепления неустойчивых пород, доказана полная безопасность производства электрохимического тампонажа пористых пород в вертикальных стволах, результаты исследований внедрены в практику шахтного строительства, что отображено в 18 статьях, 5 тезисах докладов, 5 изобретениях.

Ключевые слова: ствол, остаточный водоприток, пористые песчаники, трещиноватые породы, скважина, электрохимический тампонаж, глиноцементный раствор.

ANNOTATION

Petr Dolzhikov. Elimination of residual water inflows and consolidation of unstable rock during construction and operation of vertical mining shafts. - Manuscript.

Thesis on competition of degree of the Doctor of Engineering Sciences on a speciality 05.15.04 "Mining and underground construction". National Mining Academy of Ukraine. Dnepropetrovsk, 1999.

In thesis defenced the theoretical and experimental results determinition of conformities controled creation of grouting curtains around vertical shaft in unstable day-sandy, saturated porous and fractured rock, methods of designing, parameters and technological schemes elimination of residual water inflows in vertical mining Shafts.

Determined the features of flowing of solutions - electrolites in pressured porous strata under action of direct current and clay-based grout with changable rheological properties in fractured rock; developed the residual water inflows and consolidation of unstable rock, what represented in 18 articles, 5 theses of lectures and in 5 inventions.

Key words: shaft, residual water inflow, porous sandstone, fractured rock, borehole, electrochemical grouting, clay-based grout.

Размещено на Allbest.ru