Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние способов защиты горных выработок от притоков подземныхвод 12
1.1. Анализ применяемых в горном деле методов и средств тампонажа обводненных горных пород 12
1.2. Анализ физико-химических свойств основных компонентов глиноцементных растворов 28
1.3. Влияние агрессивности подземных вод на строительство и эксплуатацию шахтных стволов 42
Выводы 46
2. Аналитические исследования закономерностей изменения технологических свойств глиноцементных растворов, применяемых при водоизоляции горных выработок 49
2.1. Физико-химические и термодинамические основы управления свойствами глиноцементных растворов 49
2.2. Моделирование свойств глиноцементных систем методами математической статистики с целью оптимизации их состава 60
2.3. Исследование процессов, определяющих коррозионную устойчивость и долговечность изоляционных завес 67
Выводы 72
3. Экспериментальные исследования структуро-образования и коррозионной устойчивости глиноцементных тампонаж них растворов с целью оптимизации их состава в сложных условиях строительства горных выработок. 74
3.1. Методика исследования свойств глиноцементных систем 74
3.2. Разработка классификации глин по степени пригодности для использования в составе глиноцементных растворов 78
3.3. Исследование кинетики структурообразования, фазового состава и деформационного поведения глиноцементных растворов 88
3.4. Исследование влияния уплотняющих нагрузок на свойства глиноцементных
систем и оценка их водоустойчивости. 107
3.5. Исследование зависимости кинетики структурообразования глиноцементных
растворов от температури окружающей
среди 140
3.6. Исследование коррозионной устойчивости глиноцементных тампонаж них
растворов в агрессивных средах 152
3.7. Принципы и методика разработки специальных глиноцементных растворов для сложных условий сооружения горних выработок 183
Вывод 186
4. Разработка специальных глиноцементных тампонажных растворов для водойзоляции горных выработок в сложных горно-геологических и гидрохимических условиях 189
4.1. Разработка и исследование тампонажного раствора на глинистой основе для условий калийных месторождений 189
4.2. Разработка состава глиноцементного раствора для условий обводненных
месторождений галита 205
4.3. Разработка и исследование таглпонажного раствора на глинистой основе для условий Якутских месторождений алмазов. 214
4.4. Разработка специальных глиноцементних растворов для водоизоляции горных выработок на объектах шахтного строительства Венгрии и Чехословакии 245
Выводы 249
5. Промышленное внедреше специальных глиноцементных растворов в шахтном строительстве и оценка их технико-экономической эффективности 251
5.1. Тампонаж обводненных горных пород при строительстве горных выработок угольных и меднорудных месторождений Венгрии и Чехословакии 254
5.2. Водоизоляция горных выработок в условиях калийных месторождений 260
5.3. Опытно-прошшленный тампонаж обводненных вечномерзлых пород в условиях Якутских месторождений алмазов 264
5.4. Оценка технико-экономической эффективности внедрения результатов диссертационной работы 267
Выводы 272
Заключение 274
Литература. 278
- Анализ применяемых в горном деле методов и средств тампонажа обводненных горных пород
- Физико-химические и термодинамические основы управления свойствами глиноцементных растворов
- Методика исследования свойств глиноцементных систем
- Разработка и исследование тампонажного раствора на глинистой основе для условий калийных месторождений
- Тампонаж обводненных горных пород при строительстве горных выработок угольных и меднорудных месторождений Венгрии и Чехословакии
Введение к работе
Дальнейшее развитие горнодобывающей промышленности народного хозяйства СССР, предусмотренное директивными документами ЦК КПСС в значительной мере зависит от успешного строительства новых и реконструкции действующих рудников и шахт / I /.
Утвержденные ХХУІ съездом КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусматривают ускоренное строительство новых и реконструкцию действующих рудников и шахт как в химической, так и в горнодобывающей промышленности.
Строительство новых стволов предусмотрено не только в Донбассе и Ростовской области, а также в Кузнецком, Карагандинском и Печорском угольных бассейнах.
С каждым годом осваивается все большее число месторождений полезных ископаемых, залегающих в очень сложных горногеологических и гидрохимических условиях, характеризующихся значительной обводненностью горного массива и высокой агрессивностью подземных вод. Поэтому, неизбежной закономерностью ввода в действие новых предприятий горной промышленности является постоянное усложнение условий их строительства и эксплуатации.
Сооружение горных выработок в таких условиях представляет собой сложную инженерную задачу, решение которой возможно только при использовании специальных способов строительства.
Одним из наиболее эффективных специальных способов проведения горных выработок в сложных горно-геологических уело- зиях является комплексный метод тампонажа обводненных трещиноватых горных пород, разработанный и внедренный в практику шахтного строительства производственным объединением "Спецтам-понажгеология" Минуглепрома УССР. Комплексный метод тампонажа реализован в широких масштабах при строительстве в период 1970-1984 г.г. подавляющего большинства шахт-новостроек и многих реконструируемых шахт Донецкой, Ворошиловградской и Ростовской областей.
Об эффективности комплексного метода тампонажа и его широких перспективах свидетельствует следующее: при строительстве и реконструкции шахт в Донецком бассейне на вновь проходимых стволах практически прекращены работы по цементации из забоя и все проектные организации предусматривают водоподавление комплексным методом тампонажа в интервалах пересечения стволами водоносных горных пород; с применением комплексного метода тампонажа выполнены тампонажные работы и получен положительный эффект более чем на 100 объектах при сооружении шахтных стволов и других капитальных горных выработок самого различного целевого назначения (протяженные горизонтальные и наклонные вьгработіш, руцдво-ры и другие); реализация комплексного метода тампонажа позволила значительно сократить продолжительность строительства или реконструкции шахт, что по результатам выполненных работ уже дало значительную фактическую экономию народному хозяйству, исчисляемую более чем в 90 млн.рублей.
Высокая эффективность метода неразрывно связана, как с научно обоснованной методикой расчета формирования водоизоля-ционных завес, так и с использованием в качестве изоляционного материала стабильных суспензий - глиноцементных растворов.
Глиноцементные растворы отличаются очень высокой экономичностью из-за низкого содержания цемента, хорошими технологическими и водойзоляциоиными свойствами, не оказывают никакого вредного действия на окружающую среду при нагнетании их в обводненный горный массив.
С каждым годом растут не только объемы тампонажиых работ, по и расширяется область применения комплексного метода. Современное состояние пауки и техники в области шахтного и подземного строительства, возрастающие объемы сооружения выработок и подземных объектов специальными способами, увеличение глубины залегания тампонируемых пород, усложнение условии: применения специальных способов (большие мощности водоносных горизонтов, широкий интервал температур и высокая минерализация подземных вод) вызывают необходимость проведения очень серьезных исследований, направленных на совершенствование состава и свойств глиноцементних растворов, применявшихся до сих пор, в основном, в условиях малых минерализации и положительных (до 20-25С) температур подземных вод.
До настоящего времени в практике комплексного метода тампонажа недостаточное внимание уделялось исследованию свойств глиноцементних растворов с точки зрения гаизико-химической механики дисперсных систем, установлению их коррозионной устойчивости в различных агрессивных средах и поведению при пониженной и отрицательной температуре горного массива.
Если учесть, что качество водойзоляции, а следовательно и нормальная эксплуатация защищенных горных выработок в первую очередь зависит от скорости структурообразования и твердения изоляционного материала в тампонируемом массиве, от его водной коррозионной и механической устойчивости, то становится очевидным, что отсутствие сведений о физико-химической, сущности процессов структурообразования и коррозионной устойчивости глиноцементних систем препятствует расширению области применения комплексного метода тампонажа в сложных гидрохимических условиях.
В настоящей диссертационной работе на основании физико-химической механики дисперсных систем и термодинамиїш равновесных и неравновесных процессов в результате изучения кристалло-химического строения и водно-физических свойств цементов и глин, а также при выполнении большого объема экспериментальных и теоретических исследований, автором установлены основные закономерности структурообразования и коррозионной устойчивости глиноцементних систем, создана их физико-химическая модель и на ее основе разработан ряд тампонажних глиноцементних растворов для водойзоляции горных выработок, сооружаемых в сложных горно-геологических и гидрохимических условиях.
Результаты выполненных исследований и разработок нашли широкое практическое применение при водойзоляции комплексным методом объектов шахтного строительства в Венгрии, Болгарии, Чехословакии, при ликвидации аварийного прорыва высокоминерализованных агрессивных рассолов в горные выработки рудника JS 2 Стебниковского калийного завода, при выполнении опытно-промышленных работ по постановке водоизоляционнык завес в сложных гидрохимических условиях вечной мерзлоты Якутских месторождений алмазов.
Диссертационная работа тесно связана с темой 05.05 проблемы 0.09.01 (на основании Постановления Госкомитета Совета Министров СССР по науке и технике от 23.07.77г. J5 349) и с работами, выполняемыми на основании Постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР "0 развитии калийной промышленности", от 12.02.1976г. & 117, выполнена автором в 1976-1984 г.г. в
Специализированном производственном геологическом объединении по тампонажним и геологоразведочным работам "Спецтампонажгеоло- гия" Минуглепрома УССР и на кафедре "Строительство подземных сооружений и шахт" Шахтинского филиала Новочеркасского политехнического института им.Серго Орджоникидзе под руководством лауреата Государственной премии СССР, доктора технических наук, профессора Э.Я.Кипко, которому автор выражает искреннюю глубокую благодарность за огромную научно-методическую помощь и постоянную поддержку в процессе проводимых исследований.
Автор искренне благодарен своим коллегам, лауреатам Государственной премии СССР, кандидатам технических наук Ю.Л.Полозову и В.А.Лагунову за ценные методические указания, инженерам Г.С Девчинекому, Е.Г.Цашшну, П.Н.Должикову и И.Т.Цаплиной за содействие в исследованиях и внедрении в производство выполненных автором разработок. Автор также приносит благодарность руководителю группы научно-исследовательского института Якут-нипроалмаз И.Б.Хлынову и старшему инженеру Всесоюзного научно-исследовательского института по креплению нефтяных скважин и буровым растворам "ВНИИКРНефть" Г.И.Гагаю за большую помощь в проведении натурных и специальных исследований.
Работа состоит из пяти глав с введением и заключением, содержащих 147 страниц машинописного текста, 44 таблицы, 60 рисунков и списка использованной литературы из 152 наименований.
По теме диссертационной работы автор защищает:
Физико-химические и термодинамические основы процессов формирования структуры и коррозии глиноцементних растворов.
Основные закономерности кинетики структурообразования и фазовых изменений в глиноцементних тампонажних растворах при росте структуры и ее разрушения в различных температурных условиях и солевых средах.
Физико-химические и математические модели формирования структуры и свойств глиноцементних растворов.
Классификацию глин на основе их кристаллохимического состава и водно-физических свойств по степени наибольшей пригодности для разработки глиноцементних растворов, исходя из оптимальности реологических и структурно-механических параметров гетерогенных систем.
Методику исследования коррозионной устойчивости глиноцементних растворов и оценку долговечности водойзоляционных завес.
Закономерности механизмов коррозионных процессов и кинетику коррозии глиноцементних растворов в различных агрессивных средах.
Методику разработки глиноцементних растворов для во-доизоляции горних внработок различного целевого назначения, сооружаемых в сложных горно-геологических и гидрохимических условиях.
Составы коррозионностойких глиноцементних тампонажних растворов для водоизоляции горних выработок в сложных горногеологических, гидрохимических и температурных условиях.
Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, вішочая 3 авторских свидетельства СССР, получено положительное решение на предполагаемое изобретение. Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на расширенном научно-техническом совете п/о "Якуталмаз" и института "Якутнипроалмаз" г.Мирный Якутской АССР 1980 и 1981 г.г., научно-технической конференции "Совершенствование технологии бурения и ликвидация поглощений в скважинах", г.Горловка 1981 г., научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, студентов и аспирантов - II -
Шахтинского филиала НШ г.Шахты 1982 и 1984 г.г. на конференции, посвященной 25-летию Шахтинского филиала НПИ г.Шахты 1983 г., на расширенном научно-техническом совете п.о."Спецтампонажгеология" г.Антрацит 1984 г.
Анализ применяемых в горном деле методов и средств тампонажа обводненных горных пород
Значительная обводненность горных пород всегда создает серьезные трудности при проходке шахтных стволов и других горных выработок. Данные практики горнопроходческих работ показывают, что при притоках воды в ствол 80-100 м3/час средняя скорость проходки их не превышает 7-8 м/мес, а стоимость горнопроходческих работ увеличивается в 4-5 раз по сравнению с проходкой ствола в породах с малым водопритоком / 2 /. Применение перспективных и прогрессивных методов укрепления и водоизоляции горных пород позволяет снизить капитальные и эксплуатационные затраты при сооружении предприятий горной промышленности. Наиболее эффективными и рациональными являются способы сооружения вокруг горных выработок и месторождений полезных ископаемых водонепроницаемых завес / 3 /. Основные требования, предъявляемые к таким завесам, формулируются следующим образом:
- завеса должна обладать высокой степенью непроницаемости, при этом водонепроницаемые свойства должны сохраняться в течение всего срока работы горнодобывающего предприятия;
- массив завесы должен обладать механической прочностью, обеспечивающей устойчивость под воздействием гидростатического напора;
- материал завесы должен обладать высокой стойкостью против длительного воздействия вод с различными видами агрессии;
- завеса должна иметь надежный контакт с водоупорами в почве и кровле уплотняемого водоносного пласта;
- материалы, применяемые для создания водонепроницаемых завес, должны быть недефицитными и производиться в необходимом количестве.
Создание противофильтрационных завес осуществляется путем инъекции в грунт специальных тампонаж них растворов, состав и свойства которых зависят от горно-геологических условий, скорости фильтрации и агрессивности подземных вод.
Наибольшую опасность при строительстве подземных сооружений представляют, несомненно, обводненные трещины, являющиеся основными коллекторами подземных вод. Л.И.Нейштадт / 4 - подразделяет трещины по их ширине на: тонкие (1мм), мелкие (1-5мм), средние (5-20мм), крупные (20-100мм) и очень крупные (свыше 100мм). Для успешного ведения тампонажних работ важно знать не только качественную, но и количественную характеристику трещиноватости. Для этих целей находят коэффициент трещинной пустотнос-ти пород. В настоящее время для количественной оценки трещиноватости горных пород все шире используются геофизические и гидродинамические методы, позволяющие с достаточной степенью точности определить трещинную пустотность массива /5, 6 /.
Эффективность тампонажных работ в значительной степени зависит от объективности оценки горно-геологических условий, правильности определения типа водопроводдщего коллектора и его мощности, напора подземных вод и их химического состава. Все эти факторы являются определяющими при выборе метода и схемы тампонада горных пород с использованием того или иного вида тампонажного раствора.
Советское шахтное строительство благодаря неоценимому вкладу, который внесли в его развитие такие ученые как: Н.В.Мельников, Б.И.Бокий, В.В.Ржевский, Г.И.Маньковский, Н.М.Покровский, Н.Г.Тру-пак, А.П.Максимов, Н.С.Булычев, Б.А.Картозия, В.Н.Каретников, Л.Я.Парчевский, В.Л.Попов, В.В.Смирняков, Н.Н.Фотиева и многие другие, по праву занимает ведущее место в мире. Совершенствование шахтного строительства неразрывно связано с развитием специальных способов проведения горных выработок.
В начале 30-х годов в Советском Союзе применялось только четыре способа глубшшого закрепления и водоизоляции грунтов: цементация, битумизация, замораживание и двухрастворная силикатизация. В настоящее время гражданское и шахтное строительство располагает целым рядом способов, позволяющих надежно закреплять и водоизоли-ровать горные породы /7, 8, 9, 10, II, 12, 13 /. Несомненная заслуга в разработке и широком внедрении специальных способов принадлежит Н.Г.Трупаку, И.Д.Насонову, Э.Я.Кипко, А.Н.Максимову, И.И.Вахрамееву, Д.В.Колтунову, Ю.Л.Полозову, Е.Г.Дуде, М.А.Сала-матову, Л.М.Ивачеву, П.П.Галъченко, В.А.Лагунову, О.Ю.Лушниковой, Ю.Н.Сштчаку, М.Н.Шуплику и многим другим.
Физико-химические и термодинамические основы управления свойствами глиноцементных растворов
Анализ свойств основных компонентов глиноцементных растворов показал, что в состав рассматриваемой микрогетерогенной системы входят вещества с принципиально различными свойствами.
Взаимодействие глинистых частиц с водой неразрывно связано с поверхностной диссоциацией глинистых минералов, возникновением у поверхности глинистых частиц ионных диффузных слоев, перекрытие которых приводит к появлению ионно-электроста-тических сил отталкивания, к развитию в водных слоях между взаимодействующими поверхностями ионно-электростатической составляющей расклинивающего давления /61, 69, 71, 73, 74, 106/.
Процессы уплотнения набухания глин, значение которых неоценимо при установлении водной устойчивости тампонажных растворов, были объяснены С.В.Нерпиным и Б.В.Дерягиным термодинамическими и механическими свойствами тонких слоев жидкости. Как показали Б.В.Дерягин и С.В.Нерпин / 107 / близость граничных поверхностей меняет химический потенциал LL в тонких слоях жидкости, разделяющей частицы, и он становится неравным значению химического потенциала в объеме жидкости.
Если частицы отделяются, то LL Llo , а если сближаются, то IX М-о .Возникновение расклинивающего давления связано, по мнению С.В.Нерпина и Б.В.Дерягина с наличием сил молекулярного дальнодействия, проявляющихся в условиях, когда две разделяются слоем малой толщины.
Методика исследования свойств глиноцементных систем
Свойства глиноцементных растворов в полной мере зависят от свойств входящих в их состав компонентов и их количественного соотношения / 7 /.
Анализ свойств составляющих компонентов глиноцементных систем и аналитические исследования показали, что глинистые минералы характеризуются значительной неоднородностью свойств в зависимости от кристаллохимического строения. В связи с этим свойства глиноцементных растворов в первую очередь зависят от кристаллохимического строения, водно-физических свойств и количественного соотношения присутствующих в системе глинистых минералов. Использование портландцементов различных заводов, исключая специальные цементы, мало влияет на свойства - глиноцементных систем, при условии одинаковых дозировок. Это объясняется тем, что свойства цементов и их состав регламентированы ГОСТом, а качество постоянно контролируется заводскими лабораториями / 42, 76, 84 /.
Непрерывно растущие объемы тампонажних работ в сложных гидрохимических, горно-геологических условиях и зачастую в отдаленных регионах нашей страны требуют совершенствования состава тампонажних растворов и повышения их эффективности.
Успешное решение этих задач зависит, в первую очередь, от последовательного методически обоснованного изучения и объяснения основных закономерностей структурообразования, водной и коррозионной устойчивости глиноцементних систем известного состава / 7, 48, 53, 57, 129, 130 /.
С целью отработки методики создания коррозионно-стойких тампонажних растворов на глинистой основе для водоизоляции горных выработок в сложных гидрохимических условиях с использованием глин различных месторождений, проведен ряд исследований, которые включили:
- изучение химико-минералогического состава и воднофизи-ческих свойств глин с целью классификации их по степени пригодности для разработки глиноцементных растворов;
- установление основных закономерностей структурообразования и деформационного поведения глиноцементных суспензий с одновременным изучением их фазового состава и микроструктуры для целенаправленного регулирования состава и свойств в сложных гидрохимических условиях сооружения горных выработок;
- исследование свойств при уплотнении и оценка водной устойчивости глиноцементних систем для объяснения их физико-химической модели;
- изучение кинетики структурообразования при различной температуре для установления оптимального интервала температур эффективной работы глиноцементних растворов с использованием портландцемента в качестве вяжущего;
- изучение коррозионной устойчивости глиноцементних растворов в различных средах, характеризующихся разным видом агрессии, для установления допустимых по химическому составу подземных вод условий их применимости.
Разработка и исследование тампонажного раствора на глинистой основе для условий калийных месторождений
Подземные воды калийных месторождений, растворяющие руды полезных ископаемых характеризуются, как правило, сложным солевым составом. Присутствие в химическом составе вод солей магния создает серьезную проблему при борьбе с рассоло-притоками в горные выработки калийных предприятий. Основную трудность при проведении тампонажных работ в таких условиях представляет выбор изоляционного материала. Известно /80, 90, 141/, что магнезиальная коррозия проявляется при содержании солей магния в подземных водах свыше 10 г/л, исключая тем самым возможность использования портландцементов. Не нашли широкого применения в этих условиях коррозионно-стойкие битумы и синтетические смолы, первые - по причине ограниченного радиуса распространения и сложности процесса битумизации, вторые - из-за высокой стоимости и трудности регулирования сроков твердения в присутствии солей щелочных и щелочноземельных металлов. Применение способа замораживания с последующей гидроизоляцией стволов, навеской чугунных тюбингов, цементацией за тюбингового пространства и сооружение битумных поясов-завес и водоупорных венцов (кейль-кранцев) приводит, как показывает анализ / 97 /, к удорожанию сооружения І м ствола в 5-7 раз.
Глиноцементные растворы, содержащие портландцемент в качестве вяжущего, также подвергаются коррозионному разрушению в растворах солей магния, как установлено в 3-й главе.
Состав подземных вод Березниковского и Стебниковского месторождений калийных солей представлен в табл.4.1.
Как видно из таблицы, минерализация: подземных вод увеличивается с глубиной по мере приближения к "соляному зеркалу".Максимальное содержание солей магния достигает 314 г/л (Березни-ковское месторождение). По классификации Л.А.Кульского / 138 / подземные воды указанных калийных месторождений характеризуются по содержанию солей от сильносоленых (10-50 г/л) до ультрарассолов (более 300 г/л). Наибольшую опасность представляют, несомненно, зоны рассолов и ультрарассолов.
При разработке иисследовании свойств тампонажного раствора для калишшх месторождений в качестве отправных моментов были определены следующие:
а). Абсолютная устойчивость тампонажного материала должна быть обеспечена в первую очередь в зоне рассолов и ультрарассолов с повышенным содержанием солей магния.
б). Значительная неоднородность солевого состава подземных вод по глубине требует изучения устойчивости тампонажного материала в широком интервале концентраций.магниевых и натриевых солей, а также в пресной воде.
С учетом всех вышеизложенных требований разработка состава тампонажного раствора на глинистой основе для сложных условий калийных месторождений в соответствии с разработанной методикой потребовала решения следующих вопросов:
- выбора эффективного вяжущего, способного гидратировать-ся в условиях магнезиальных солей и быть устойчивым к их кор-рознойному во действию;
Тампонаж обводненных горных пород при строительстве горных выработок угольных и меднорудных месторождений Венгрии и Чехословакии
На основании лицензионных соглашений на "Комплексный метод тампонажа обводненных горных пород при строительстве шахт" с Зенгрией (контракт В 05-021/51102 от 14.10.77г.) и Чехословакией (контракт Ш 05-020/91700 от 16.07.80г.), разработанные, для условий объектов шахтного строительства этих стран, глиноце-ментные растворы внедрены в производство в промышленных масштабах.
В соответствии с контрактными обязательствами по проданным лицензиям объединением "Спецтампонажгеология" выполнены проект производства тампонажных работ и оказано техническое содействие, в котором автор принимал непосредственное участие, по их реализации при прохождении горных выработок сооружаемых шахт "Надьедьхаза", "Чордакут", медного рудника "Речк" в Венгрии и шахты "Сланы" в Чехословакии. В табл.5.2 приведена основная характеристика тампонируемых интервалов и объемы нагнетания тампонажного раствора при формировании водойзоляционной завесы вокруг скипового ствола шахты "Сланы".
В табл.5.3 приведены краткие проектные данные тампонажа обводненных горных пород при сооружении горных выработок шахт "Надьедьхаза", "Чордакут" и рудника "Речк".
Технико-экономические расчеты эффективности применения комплексного метода тампонажа только при строительстве шахты "Надьедьхаза", выполненные институтом "Южгипрошахт" показали, что ориентировочный экономический эффект определяется в ІЗЗОмлн.