Содержание к диссертации
Введение
Современное состояние вопроса технологии сооружения тампонажних завес в трещиновато-пористых горных породах при проходке шахтных стволов 11
1.1. Анализ теоретических представлений о течении вязко-пластичных жидкостей в трещиновато-пористых горных породах 11
1.2. Анализ современного состояния вопроса технологии сооружения водоизоляционных
тампонажных завес в трещиновато-пористых горных породах 19
1.3. Цель и задачи исследований 36
Выводы 37
2. Аналитические исследования закономерностей течения глиноцементних тампонажных растворов в трещиновато-пористых горных породах .... 38
2.1. Вывод дифференциальных уравнений движениявязко-пластичной жидкости переменной массы 38
2.2. Стационарное движение вязко-пластичной жидкости в трещине с проницаемыми
стенками 46
2.3. Исследование закономерностей изменения реологических параметров ташюнажного
раствора при отфильтровывании жидкой фазы 62
Выводы
3. Экспериментальные исследования технологии сооружения глиноцементних тампонажних завес в трещиновато-пористых горных породах 73
3.1. Разработка экспериментального стенда для исследований технологических параметров сооружения глиноцементних тампонажних -завес в трещинах с проницаемыми стенками 74
3.2. Методика исследований закономерностей течения глиноцементних растворов на экспериментальном стенде . 79
3.3. Лабораторные исследования закономерностей течения глиноцементних растворов на экспериментальном стенде . 95
3.4. Результаты исследований потерь давления при сооружений глиноцементних тампонажних завес в трещинах с проницаемыми стенками 138
Выводы 164
4. Промышленная апробация технологии сооружения водоизоляционных завес в трещиновато-пористых горных породах 166
4.1. Методика расчета параметров формирования изоляционной завесы в трещиновато-пористых горных породах 166
4.2. Результаты внедрения разработанной технологии сооружения водоизоляционных
завес в трещиновато-пористых породах 186
Выводи 219
5. Технико-экономическая эффективность результатов исследований 221
Выводи 227
Заключение 228
Литература 236
- Анализ теоретических представлений о течении вязко-пластичных жидкостей в трещиновато-пористых горных породах
- Вывод дифференциальных уравнений движениявязко-пластичной жидкости переменной массы
- Разработка экспериментального стенда для исследований технологических параметров сооружения глиноцементних тампонажних -завес в трещинах с проницаемыми стенками
- Методика расчета параметров формирования изоляционной завесы в трещиновато-пористых горных породах
- Технико-экономическая эффективность результатов исследований
Введение к работе
Главными резервами повышения эффективности работы угледобывающих и горнорудных предприятий, определенными в основных направлениях развития народного хозяйства СССР на I98I-I985 годы,принятых на ХХУТ съезде КПСС,являются; обеспечение дальнейшего роста и качественного совершенствования основных фондов,повышение эффективности капитальных вложений,быстрейший ввод в действие и освоение производственных мощностей за счет улучшения планирования, проектирования и организации строительства,сокращения продолжительности и снижения стоимости строительства и реконструкции предприятий.
Государственным планом экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы, одобренным ноябрьским (1981г.) Пленумом ЦК КПСС и принятым Верховным Советом СССР, предусматривается довести добычу угля в 1985 году до 775 млн.тонн* Для этого потребуется строительство большого количества новых и реконструкции действующих шахт. Так,согласно постановлению ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 3 марта 1980 года Л 191 "О мерах по дальнейшему развитию угольной промышленности в Украинской ССР и Ростовской области в 1980 году, одиннадцатой пятилетке и в период до 1990 года", к 1990 году в Донецком угольном бассейне намечается проходка 125 шахтных стволов, из которых 79 расположены в сложных горногеологических условиях.
Усложнение горно-геологических условий проведения горных выработок вызвано ростом глубины ведения горных работ» Так, за последние 10-12 лет число шахт, ведущих работы на глубине свыше 700 м, возросло более, чем в 3 раза, а к 1985 году будет эксплуатироваться 15 шахт глубиной 1000-1300 м.
Рост глубины усиливает влияние опасных проявлений таких при- родных факторов, как катастрофические водопритоки в строящиеся горные выработки.
В шахтном строительстве одной из самых трудоёмких и ответственных работ,лежащих на критическом пути строительства,являет-ся сооружение шахтных стволов,технологический процесс которого во многих случаях предусматривает выполнение специальных работ по водоподавлению. В этой связи одним из условий дальнейшего повышения технико-экономических показателей строительства угольных и горнорудных предприятий является успешная борьба с водопротоками при проходке стволов шахт.
Большой вклад в развитие шахтного строительства внесли многие советские учёные-шахтостроители: Н.Г.Трулак,Н.М.Покров-ский,ИД.Насонов,Н.С.Булычёв,Н.Н.Фотиева,Э.Я.Кипко,Б.А.Картозия, В.Л.Попов,В.Н.Каретников,А.П.Максимов,В.В.Смирняков,Г.М.Красто-шевский,Г»И.Маньковский,Е.П.Калмыков. Разработке аналитических методов расчёта процесса тампонажа посвящены работы И.Й.Вахра-меева,А.Н.Дцамовича,М,А.Саламатова,Л.М.Ивачёва,Ю.А.Полозова, О.Ю.Лушниковой,В.А.Лагунова,Ю.Н.Спичака,Н.И.Веригина,А.Т.Айтма-това,Д.В.Колтунова,А.Камбефора,Э.Э.Алласа,Б.Д.Половова,Б.И.Крав-цова,П.П.Гальчеяко,Е.Г.Дуды,В.А.Хямяляйнена и многих других.
В области специальных способов проходки горных выработок в последние годы достигнуты значительные успехи. В частности, широкое распространение получил метод замораживания. Повсеместно применяется как предварительная, так и последующая цементация из забоя выработок.
Под руководством лауреата Государственной премии СССР докт. техн.наук,профессора Э.Я.Кипко в специализированном геологическом производственном объединении по тампонажним и геологоразведочным работам Минуглепрома УССР ("Спецтампонажгеология",г,Антрацит) разработан и успешно применяется высокоэффективный комплексный метод тампонажа обводненных горных пород через скважины,пробуренные с поверхности земли, метод являющийся одним из наиболее прогрессивных направлений в технических решениях проблемы борьбы с водопритоаами при строительстве современных глубоких шахт в сложнейших гидрогеологических условиях / I А
Комплексный метод тампонажа обводненных трещиноватых горных пород выгодно отличается тем, что: базируется на научно-обоснованном инженерном расчете всего процесса изоляции обводненных горных пород: от размеров изоляционной завесы вокруг горной выработки - до выбора количества скважин и режимов нагнетания; в основе всех инженерных расчетов лежит объективная информация о гидродинамических свойствах горных пород, получаемая непосредственными исследованиями в скважинах с помощью новых оригинальных методов исследований и технических средств; тампонаж выполняется высокоэффективными и недорогими гли-ноцементными растворами, с применением оригинальных технологических схем, эффективной технологии, высокопроизводительного оборудования и совершенных специальных технических средств; для тампонажа обводненных пород используются наклонно-направленные скважины, применение которых позволяете одной стороны увеличить количество подсеченных крутопадающих трещин,а с другой - получить значительный выигрыш во времени за счет совмещения тампонажних работ с подготовительным периодом строительства шахты; используются эффективные методы контроля качества тампонажа, позволяющие объективно оценить результаты тампонажа до начала горнопроходческих работ.
Комплексный метод тампонажа успешно внедрен не только при проходке стволов целого ряда шахт Донбасса, но и получил широкое распространение при подавлении остаточных водопритоков с поверхности, аварийных работах, связанных с катастрофическими притоками воды в шахтные стволы, при прохождении протяжённых горизонтальных выработок и околоствольных дворов,расположенных в сложнейших гидрогеологических условиях* Применение комплексного метода тампонажа позволяет: сократить сроки сооружения шахтных стволов,в среднем, на 20,5$; снизить стоимость сооружения шахтных стволов, в среднем на 16,4$; снизить трудоёмкость горнопроходческих работ на 2,5$ и получать значительный экономический эффект за счёт окупаемости капитальных вложений при сокращении сроков строительства и досрочного ввода шахт в эксплуатацию.
Однако, в настоящее время до 30$ горных выработок проходится в обводнённых трещиновато-пористых и пористых горных породах, И расчёт процесса тампонажа в этих условиях на стадии проектирования, а также контроль параметров нагнетания тампонажного раствора в процессе проведения работ, имеют свои специфические особенности, В процессе течения: тампонажних растворов в трещинах с проницаемыми стенками (в трещиновато-пористых породах) происходит непрерывное отфильтровывадие жидкой фазы из тампонажного раствора. В результате - изменяются плотность и реологические параметры тампонажного раствора. Следовательно, расчёт давлений нагнетания размеров изоляционной завесы, выбор количества скважин,а также контроль параметров в процессе нагнетания раствора требуют учёта этих явлений,
В настоящее время отсутствуют методики расчёта процесса тампонажа трещиновато-пористых горных пород глино-цементными тампонажними растворами.
В теоретических исследованиях, положенных в основу методов расчёта параметров формирования изоляционных завес в комплексном методе тампонажа,как и во всех других известных теоретических исследованиях процесса тампонажа трещиноватых обводненных горных пород, рассматривается течение тампонажних растворов в трещинных каналах с непроницаемыми стенками. Предварительный качественный анализ влияния указанного фактора на процесс распространения там-понажяых растворов показывает, что дальнейшее повышение эффективности проектирования и производства тампонажних работ возможно на основе развития и совершенствования методов расчёта параметров изоляционных завес и процессов их формирования с учётом отфильтровыва-ния жидкой фазы из тампонажного раствора и изменения реологических параметров при течении раствора в трещинах с проницаемыми стенками. Решение этой проблемы позволит повысить эффективность проектирования, а также качество и экономичность сооружения водоизоляционных завес в сложных гидрогеологических условиях, чему и посвящена настоящая работа.
Краткое содержание диссертационной работы:
В I разделе рассмотрено современное состояние вопроса тампонажа трещиновато-пористых горных пород при сооружении шахтных стволов. Проведён анализ существующих теоретических представлений о процессе течения вязко-пластичных жидкостей в трещиновато-пористой среде применительно к тампонажу обводнённых горных пород. На основании обзора и анализа современного состояния вопроса тампонажа трещиновато-пористых горных пород сформулирована цель работы и поставлены задачи исследований.
Анализ теоретических представлений о течении вязко-пластичных жидкостей в трещиновато-пористых горных породах
Вязко-пластичные жидкости,применяемые в бурении и при ведении тампонажных работ (глинистые растворы,глино-цементные растворы, цементные растворы), представляют собой дисперсные системы. Дисперсной фазой являются глина или цемент. В спокойном состоянии взаимодействие частиц дисперсной фазы между собой, а также с молекулами дисперсионной среды, вызывает образование структуры, что внешне проявляется в застудеваяии раствора / 2 /. Этим обусловлено промежуточное положение таких растворов между твердыми и жидкими телами: с одной стороны они обладают определённой упругой деформацией и напоминают пластичные тела, с другой - подчиняются законам движения жидкостей.
Течение дисперсных структурированных систем в трещиновато-пористой среде сопровождается отфильтровыванием жидкой фазы в по ристые блоки и микротрещины. Это явление вызывает изменение реологических и струнтурно-механических характеристик системы и изменяет характер течения вязко-пластичной жидкости. Таким образом, описание процесса течения вязко-пластичной жидкости сводится к постановке и решению задач о движении дисперсной структурированной системы в трещинах с проницаемыми стенками.
Прежде, чем перейти к рассмотрению и анализу указанного класса задач,рассмотрим теоретические представления и некоторые задачи о движении вязко-пластичной жидкости в трубах и трещинах с непроницаемыми стенками. Такой подход необходим нам при дальнейшем анализе явлений,происходящих при движении вязко-пластичных жидкостей в трещиновато-пористой среде.
Вывод дифференциальных уравнений движениявязко-пластичной жидкости переменной массы
В результате проведенных нами исследований установлено,что противоречивые данные, приведенные в работе /13/,объясняются не только "эффектом пристенного слоя", а в большей степени тем фактом, что в экспериментах труба с проницаемыми стенками бралась "сухой". Поэтому вначале в период интенсивной фильтрации в сухую пористую среду резко изменялись структурно-механические и реологические характеристики глинистых растворов, и гидравлические сопротивления увеличивались, а с увеличением перепада давления проявлялся эффект пристенного слоя - гидравлические сопротивления значительно уменьшались (эффект проскальзывания). Но затем, по мере водонасыщения пористой среды,фильтрация стабилизуется и становится ничтожно малой,гидравлические сопротивления стабилизируются,а численные их значения приближаются к значениям гидравлических сопротивлений в трубе или щели с непроницаемыми стенками.
В реальных условиях,как правило,производился тампонаж обводненных трещиновато-пористых горных пород.
Поэтому процесс тампонажа необходимо рассматривать с учетом пластового давления тампонируемого водоносного горизонта.
Нами проведены исследования по определению гидравлических сопротивлений в трещинах с проницаемыми стенками (сухих и обводнённых) на экспериментальном стенде. Исследования показали,что при течении тампонажного раствора в обводнённых трещинах с проницаемыми стенками большую роль играет эффект прилипания раствора к стенке трещины, а не эффект пристенного слоя. Вблизи поверхности (стенки) оказывается существенным влияние вязкости по той причине,что даже жидкости,обладающие незначительной вязкостью,сохраняют свойство прилипать к твердой обтекаемой поверхности. По мере удаления от поверхности скорость жидкости быстро растёт и на некотором расстоянии от поверхности принимает значение,практически равное скорости внешнего течения /53/» Эти эксперименты показали,что в начальный период нагнетания раствора отфильтровывайте жидкой фазы происходит незначительно (в этот период скорость течения раствора по трещине значительно больше скорости фильтрации в стенки трещины). По мере нагнетания раствора и увеличения радиуса распространения давление нагнетания растёт, скорость течения по трещине уменьшается и становится сравнимой со скоростью отфильтровываяия жидкой фазы в стенки трещины,происходит интенсивное изменение структурно-механических и реологических характеристик тампонажного раствора. Вследствие увеличения плотности,вязкости и динамического напряжения сдвига давление ещё более возрастает,скорость течения раствора уменьшается,а скорость отфильтровывания жидкой фазы возрастает и может превышать скорость течения по трещине. На последнем этапе течение раствора по трещине прекращается, и происходит только от-фильтровывание жидкой фазы в стенки трещины.
Разработка экспериментального стенда для исследований технологических параметров сооружения глиноцементних тампонажних -завес в трещинах с проницаемыми стенками
Для экспериментальных исследований закономерностей изменения реологических и структурно-механических параметров тампонажних растворов,в зависимости от радиуса их распространения и коэффициента фильтрации проницаемой среды, а также исследования потерь давления при течении глиноцементних тампонажних растворов в трещине с проницаемыми стенками был разработан экспериментальный стенд, схема которого приведена на рис.3.1.
Стенд состоит из следующих основных узлов:
1. Радиальной модели трещины.
2. Рамы.
3.Пневмо-гидравлической нагнетательной системы, 4,12,13,14. Контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратуры. Радиальная модель трещины состоит из двух круглых стальных пластин-крышек (5),к каждой из которых привинчивается металлическое кольцо (6). В образованные таким образом полости заливается песчано-цементная смесь, моделирующая проницаемую пористую среду. На крышках устанавливаются разделители типа раствор-масло (7), расположенные на двух взаимноперпендикулярних диаметрах через каждые 0,1 м. Через отверстия в крышках некоторые разделители сообщаются с пористой средой,а некоторые - с моделируемой трещиной. В разделители ввинчиваются образцовые манометры. Некоторые из разделителей снабжены дополнительно штуцерами,предназначенными для фиксирования образцовых манометров в положениях, удобных для кино или фотосъёмки.Крышки стягиваются между собой болтами,а раскрытие трещины регулируется толщиной прокладки между кольцами (6). Центральный винт (8) моделирует нагнетательную скважину, а также служит для обеспечения дополнительной прочности стенда и предотвращения прогибов крышек при нагнетании тампонажного раствора.Кон-струкция стенда рассчитана на внутреннее давление 2,5МПа(25кг/см ), однако,в целях безопасного проведения исследований рабочее давле р ние не превышает 1,0 МПа (10 кг/см ). Коллектор (9)расположенный на одной из крышек стенда,служит для отбора жидкости,поступающей при нагнетании из трещины.
Методика расчета параметров формирования изоляционной завесы в трещиновато-пористых горных породах
Методика расчёта параметров формирования водоизоляционных завес базируется на теоретических исследованиях и результатах экспериментов, полученных в процессе выполнения диссертационной работы.
Формирование водоизоляционных завес в трещиновато-пористом водоносном горизонте осуществляется путём нагнетания тампонажного раствора в скважины,пробуренные за контуром горной выработки. Обеспечение качественной водоизоляции в результате проведения тампонажних работ во многом зависит от характера трещиноватости и степени взаимного пересечения трещин в трещиновато-пористом водоносном горизонте. Чем выше степень взаимопересечённости трещин, тем большая существует возможность создания качественной водоизо-ляционной завесы-экрана за контуром горной выработки.
Если же степень взаимопересечённости трещин невелика (трещины слабо сообщаются друг с другом) или сооружение горной выработки осуществляется в пористых породах,то необходимо создавать искусственную трещиноватую зону за контуром выработки. Общая методика расчёта параметров формирования изоляционных завес в трещиновато-пористых горных породах в соответствии с принципами и расширением области применения комплексного метода сводится к следующему;
а) Расчёт параметров трещиноватости трещиновато-пористого водоносного горизонта;
б) Расчёт геометрической формы и размеров водоизоляционной завесы в каждом водоносном горизонте;
в) Расчёт максимально возможных (допустимых) контуров распространения тампонажного раствора из отдельной скважины и определение оптимального количества тампонажних скважин и их рационального расположения;
г) Расчёт объёмов и режимов нагнетания тампонажного раствора при формировании водоизоляционных завес.
Технико-экономическая эффективность результатов исследований
Сооружение шахтных стволов,лежащее на критическом пути общего времени строительства горных предприятий, является одной из самых трудоёмких и ответственных операций /84/.Продолжительность сооружеяия шахтных стволов,включая подготовительный период,занимает 40-45% общего времени строительства шахты и достигает в некоторых случаях 60-70% /85/. В этой связи сокращение сроков и стоимости при сооружении шахтных стволов даёт значительный экономический эффект и имеет важное народнохозяйственное значение. В последние годы около 50% всех вертикальных стволов,сооружаемых специальными способами,проходится с применением тампонажа обводнённых горных пород. Поэтому разработка и внедрение эффективных способов тампонирования приобретает особое значение.
В 1970-80 годах в объединении "Спецтампонажгеология" под руководством лауреата Государственной премии д.т.н.,профессора Кипко Э.Я., при участии автора,разработан новый высокоэффективный "Комплексный метод тампонажа обводнённых горных пород". Метод успешно прошёл промышленные испытания и внедрение при проходке стволов целого ряда шахт Донбасса,Подмосковного угольного бассейна,а также получил широкое распространение при подавлении остаточных водопритоков,аварийных работ,связанных с катастрофическими прорывами воды в шахтные стволы,при водоизоляции и укреплении породного массива в руддворах шахт и горизонтальных горных выработках /86,87/. В настоящее время с применением комплексного метода тампонажа ведутся работы при сооружении Северо-Муйского тоннеля на трассе БАМ,на Якутских месторождениях алмазов, по ликвидации аварии на Стебниковском калийном месторождении и др. Высокую эффективность комплексного метода подтверждают крупные лицензионные соглашения, заключённые с рядом социалистических стран (ВНР, ЧССР, НРБ).
Расчёты, выполненные институтом "Южгипрошахт",показали,что применение комплексного метода тампонажа при солружеяии шахтных стволов позволяет получить экономию в сумме 163,8 тыс.руб. на I млн.руб.капиталовложений или 16,4$.
Настоящая диссертационная работа предусматривает дальнейшее развитие положений комплексного метода тампонажа и расширение области его применения при тампонировании трещиновато-пористых обводнённых горных пород. Основные выводы и рекомендации, полученные при выполнении работы,проверены при выполнении экспериментального тампонажа пористых пород при сооружении вентиляционного и скипового стволов шахты "Красноармейская-Западная" № I п.о."Красноармейскуголь". Скиповой и клетевой стволы расположены в 50 метрах друг от друга. Скиповой ствол сооружался с применением разработанной методики в экспериментальном порядке, а клетевой - методом цементации обводненных интервалов из забоя. Экспериментальный тампонаж позволил (по сравнению с цементацией из забоя на клетевом стволе) увеличить среднюю скорость проходки ствола на 5,5 м/мес. Кроме того,общая протяжённость тюбингового крепления по скиповому стволу после тампонажа составила 26 м против 114 по клетевому /88/.
