Геомеханика разрушения и регламент тампонажного упрочнения пород вокруг наклонных стволов вязкопластическими растворами
Наведено підсумки шахтних досліджень руйнування порід навколо стволів вугільних шахт та обґрунтовано параметри їх зміцнення вязкопластичними розчинами.
Збережено в:
| Дата: | 2008 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України
2008
|
| Назва видання: | Геотехническая механика |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/31485 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Геомеханика разрушения и регламент тампонажного упрочнения пород вокруг наклонных стволов вязкопластическими растворами / В.И. Соколовский, Ю.А. Пшеничный, С.В. Борщевский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2008. — Вип. 78. — С. 203-210. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-31485 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-314852012-03-10T12:34:14Z Геомеханика разрушения и регламент тампонажного упрочнения пород вокруг наклонных стволов вязкопластическими растворами Соколовский, В.И. Пшеничный, Ю.А. Борщевский, С.В. Наведено підсумки шахтних досліджень руйнування порід навколо стволів вугільних шахт та обґрунтовано параметри їх зміцнення вязкопластичними розчинами. Research results are mine destruction of rocks around the shafts of coal mines and reasonable options to strengthen viscoplastic solutions. 2008 Article Геомеханика разрушения и регламент тампонажного упрочнения пород вокруг наклонных стволов вязкопластическими растворами / В.И. Соколовский, Ю.А. Пшеничный, С.В. Борщевский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2008. — Вип. 78. — С. 203-210. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/31485 622.831.1 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Наведено підсумки шахтних досліджень руйнування порід навколо стволів вугільних шахт та обґрунтовано параметри їх зміцнення вязкопластичними розчинами. |
| format |
Article |
| author |
Соколовский, В.И. Пшеничный, Ю.А. Борщевский, С.В. |
| spellingShingle |
Соколовский, В.И. Пшеничный, Ю.А. Борщевский, С.В. Геомеханика разрушения и регламент тампонажного упрочнения пород вокруг наклонных стволов вязкопластическими растворами Геотехническая механика |
| author_facet |
Соколовский, В.И. Пшеничный, Ю.А. Борщевский, С.В. |
| author_sort |
Соколовский, В.И. |
| title |
Геомеханика разрушения и регламент тампонажного упрочнения пород вокруг наклонных стволов вязкопластическими растворами |
| title_short |
Геомеханика разрушения и регламент тампонажного упрочнения пород вокруг наклонных стволов вязкопластическими растворами |
| title_full |
Геомеханика разрушения и регламент тампонажного упрочнения пород вокруг наклонных стволов вязкопластическими растворами |
| title_fullStr |
Геомеханика разрушения и регламент тампонажного упрочнения пород вокруг наклонных стволов вязкопластическими растворами |
| title_full_unstemmed |
Геомеханика разрушения и регламент тампонажного упрочнения пород вокруг наклонных стволов вязкопластическими растворами |
| title_sort |
геомеханика разрушения и регламент тампонажного упрочнения пород вокруг наклонных стволов вязкопластическими растворами |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України |
| publishDate |
2008 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/31485 |
| citation_txt |
Геомеханика разрушения и регламент тампонажного упрочнения пород вокруг наклонных стволов вязкопластическими растворами / В.И. Соколовский, Ю.А. Пшеничный, С.В. Борщевский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2008. — Вип. 78. — С. 203-210. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT sokolovskijvi geomehanikarazrušeniâireglamenttamponažnogoupročneniâporodvokrugnaklonnyhstvolovvâzkoplastičeskimirastvorami AT pšeničnyjûa geomehanikarazrušeniâireglamenttamponažnogoupročneniâporodvokrugnaklonnyhstvolovvâzkoplastičeskimirastvorami AT borŝevskijsv geomehanikarazrušeniâireglamenttamponažnogoupročneniâporodvokrugnaklonnyhstvolovvâzkoplastičeskimirastvorami |
| first_indexed |
2025-07-03T11:56:22Z |
| last_indexed |
2025-07-03T11:56:22Z |
| _version_ |
1836626773985460224 |
| fulltext |
"Геотехническая механика" 203
УДК 622.831.1
В.И. Соколовский, Ю.А. Пшеничный, С.В. Борщевский
ГЕОМЕХАНИКА РАЗРУШЕНИЯ И РЕГЛАМЕНТ ТАМПОНАЖНОГО
УПРОЧНЕНИЯ ПОРОД ВОКРУГ НАКЛОННЫХ СТВОЛОВ
ВЯЗКОПЛАСТИЧЕСКИМИ РАСТВОРАМИ
Наведено підсумки шахтних досліджень руйнування порід навколо стволів вугільних
шахт та обґрунтовано параметри їх зміцнення вязкопластичними розчинами.
CALCULATION OF PARAMETERS PLUG-BACK S SLOPING SHAF TS
VYAZKOPLASTICHESKIMI BY SOLUTIONS
Research results are mine destruction of rocks around the shafts of coal mines and reasonable
options to strengthen viscoplastic solutions.
Ряд угольных шахт Донбасса ведут отработку запасов угля с использовани-
ем наклонных стволов. В качестве примера, можно привести шахту
им. 60-летия Великой Октябрьской Социалистической революции (ВОСР),
шахты «Донпромбизнес», «Юзов», «Эксимэнерго» и др. Учитывая, что горные
работы ведутся на глубинах 300-800 м при угле наклона стволов 8-15 градусов
их протяженность достаточно большая и достигает 1400-3058 м (шахта им. 60-
летия ВОСР).
Оценивая литолого-геомеханические особенности эксплуатации стволов на-
до указать на такие особенности:
1) вмещающие породы характеризуются высокой степенью сложности с
преимущественным наличием пород на глинистых цементах;
2) механическая неоднородность породного массива проявляется в болешой
вариации прочности пород на сжатие и растяжение: 50 < σсж ≤ 110 МПа;
3,8 ≤ σрıı ≤ 10,7 МПа; 2,4≤ σр† ≤4,1 МПа;
3) величина коэффициента размокания пород около 0,8, а форма разрушения
первая;
4) породы непосредственной кровли по устойчивости относятся к категории
Б1-Б4;
5) основная кровля по обрушаемости относится к категории А2;
6) породы почвы сложены «кучерявчиком», сланцами и песчаником.
Оценивая геотехническое состояние наклонных стволов, следует указать,
что несоответствие паспорту крепления на отдельных участках различное. В
среднем по протяженности паспорту не соответствует 4,6-5,8%. Прослежива-
ются отдельные участки, где имеет место существенное деформирование крепи
(2,3-3,7%), что требует ее ремонта. В таких случаях имеет место расслоение по-
род над стволом, иногда наблюдается разрушение затяжки обрушившимися по-
родами.
Для изучения особенностей разрушения породного массива над наклонным
стволом проведены электрометрические измерения с использованием аппара-
туры и методики изложенной в [1]. Профилирование по шпурам проведено
зондом на глубину до 3,0. Поскольку глубина проникновения низкочастотного
204 Выпуск № 78
электрического поля в породный массив составляет 0,3-0,4 м, что значительно
больше диаметра шпура и меньше расстояния от зонда до металлокрепи, то
обеспечивается достаточная помехоустойчивость диагностирования. Шпуры
бурили по своду ствола с различным шагом расположения. Результаты элек-
трометрических измерений приведены на рис. 1 и 2.
1 – на глубини 1,0 м; 2 – на глубине 3,0 м
Рис. 1 – Данные шпуровой электрометрии по кровле вдоль наклонного
ствола шахты 60-летия ВОСР
Рис. 2 – Данные электрометрии по шпуру в своде ствола
На рис. 1 даны значения сопротивления (Ом·м) по длине наклонного ствола
(фрагмент показан для 200 м). Анализ результатов позволил установить сле-
дующую особенность: по длине ствола на каждые 100 м проявляется одна де-
прессия (аномалия) по величине значения сопротивления. Это участки больше-
го расслоения пород. Анализ данных на рис. 2 показывает другую особенность:
вглубь массива отмечается две зоны повышенного сопротивления – одна в пре-
делах 0,4-0,6 м и другая на удалении 1,6-1,9 м от контура выработки. Следова-
тельно, вокруг ствола формируется две круговые аномальные зоны по расслое-
нию пород. По результатам измерений были вычислены коэффициенты трещи-
новатости породного массива, значения которых приведены в табл. 1. Придер-
живаясь терминологии согласно [2], такой массив можно рассматривать как
связнонарушенный, а по величине коэффициента трещиноватости как содер-
жащий две трещинные зоны, опоясывающие ствол в среднем на удалении 0,5 м
и 1,75 м.
20 40 60 80 100 120 140 160 180
20
40
60
80
0
Длина профиля вдоль выработки, м
С
о
п
р
о
ти
в
л
ен
и
е
ρ
к
, О
м
·м
1
2
20
40
60
80
0
С
о
п
р
о
ти
в
л
ен
и
е
ρ
к
, О
м
·м
0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0
Глубина шпура, м
"Геотехническая механика" 205
Таблица 1 – Изменение коэффициента разрыхления пород
в кровле ствола вглубь массива
Глубина диагностирования, м Номера
шпуров 0,5 0,7 1,2 1,5 1,7 2,1 2,4 2,8
1 1,16 1,10 1,12 1,11 1,15 1,13 1,09 1,08
2 1,14 1,09 1,11 1,10 1,13 1,11 1,10 1,07
3 1,13 1,08 1,10 1,09 1,14 1,12 1,11 1,08
Резюмируя изложенное можно заключить, что геомеханика разрушения по-
род над наклонными стволами связана в первую очередь, с расслоением пород
в сводовой части выработки. Отсюда вытекает практический вывод: повышение
устойчивости стволов может быть достигнуто цементационно-тампонажным
упрочнение породного массива. Исходя из этой предпосылки обоснованы па-
раметры тампонажа породного массива вокруг ствола вязкопластическими рас-
творами.
Остановимся на геомеханических и горно-технических аспектах тампонаж-
ного упрочнения пород вблизи горной выработки.
Процесс формирования тампонажных завес в горном массиве обусловлен
течением тампонажных растворов в трещинах горных пород под действием из-
быточного давления. Избыточное давление, воздействуя на стенки трещин, вы-
зывает упругие деформации массива, трещины раскрываются и приобретают
некоторую клиновидную форму с максимальным раскрытием вблизи нагнета-
тельной скважины и минимальным – на контуре влияния.
Основные параметры гидравлического расчета процесса тампонажа обвод-
ненных горных пород – потери давления и радиус распространения раствора
при нагнетании его в тампонажную скважину.
Аналитические расчеты параметров процесса тампонажа с учетом упругих
деформаций горного массива в некоторых случаях приводят к большим по-
грешностям. Поэтому целесообразно получить достоверные расчетные уравне-
ния для определения потерь давления и радиусов распространения тампонаж-
ного раствора в упругодеформируемой трещиноватой среде.
Течение тампонажного раствора, представляющего собой вязкопластичную
жидкость, в трещине подчиняется реологическому закону Шведова – Бингама:
.0h
n
u
d
dηττ += (1)
где τh — касательное напряжение на стенке трещины; τо — динамическое
напряжение сдвига; η — структурная вязкость; du/dn — градиент скорости.
При радиальном течении тампонажного раствора [3] образуется ядро потока
(рис. 3), размеры которого определяются выражением
206 Выпуск № 78
,
2
h
0
0 τπ
η
r
Q
h
⋅
−= (2)
где h0 — размер ядра потока; h — половина раскрытия трещины; Q — рас-
ход нагнетания тампонажного раствора; τ0 — динамическое напряжение сдвига;
η— структурная вязкость; r — радиус распространения раствора.
Рис. 3 – Эпюры скоростей и напряжений сдвига при течении тампонажного
раствора в трещине с деформируемыми стенками
Из уравнения, полученного Ю.П. Желтовым, следует, что величина раскры-
тия трещин в процессе нагнетания жидкости в массив не остается постоянной, а
зависит от величины избыточного давления:
( )[ ]0i 1 PPi −+= βδδ (3)
Тci m/ββ = (4)
где δi — раскрытие трещины при избыточном давлении; δ — начальное рас-
крытие трещин; Ро, Р — пластовое давление и давление, создаваемое при на-
гнетании жидкости; βi- — комплексный параметр трещиноватости, учитываю-
щий упругие свойства горной породы и геометрию систем трещин (трещинную
пустотность); βс — коэффициент объемной упругости горных пород; mт —
трещинная пустотность (скважность).
"Геотехническая механика" 207
На основании уравнения Шведова — Бингама (1), эпюры скоростей и на-
пряжений сдвига (рис. 3) и уравнения (3) в общем случае получено дифферен-
циальное уравнение движения тампонажного раствора в упругодеформируемой
среде
( )[ ]
αϕρ
τπ
ηβ
τ
coscos
2
1
d
d
0
0
0
r
p qg
r
Q
PPh i
−
⋅
−−+
= (5)
где dP/dr — градиент давления; r — полярный радиус; — полярный угол; α
— угол наклона плоскости трещины к вертикали (рис. 3). Остальные обозначе-
ния прежние.
Интегрирование уравнения (5) с начальным условием
( ) ,cc PRP = (6)
где Rc — радиус скважины; Рс—давление в скважине при нагнетании
раствора, дает выражение для расчета потерь давления при течении тампо-
нажного раствора в упругодеформируемом горном массиве
( )[ ]( )
( )
( )[ ]
( )
( )[ ]( )
( ) .coscos
221
8
1
2
ln
1
3
00
2
0
0
0
0
3
0
αϕρ
τπτπβδ
ητ
βδ
τ
βδπ
η
ck
ckci
ck
ci
ck
c
k
ci
RRg
RRPP
QRR
PP
RR
R
R
PP
Q
P
−⋅−
−
+−+
−
+
−+
−+
−+
=∆
(7)
Для максимального радиуса распространения тампонажного раствора полу-
чено уравнение
( )
( )[ ] ( ) .coscos
1
2
0
0 αϕρ
βδ
τ
ck
ci
ck RRg
PP
RR
P −⋅−
−+
−=∆ (8)
Рис. 4 – Схема для определения радиусов распространения тампонажного
раствора в упругодеформируемой среде
208 Выпуск № 78
Максимальный радиус при достижении перепада давления определяется
выражением
( )[ ]
( )[ ] .
coscos12
1
00
0
αϕρβδτ
βδ
gPP
PPP
R
ci
ci
k ⋅⋅−=−
−+∆= (9)
В реальных условиях при нагнетании тампонажного раствора в наклонные
трещины [4] наиболее слабым местом в тампонажной завесе будет зона распро-
странения раствора по восстанию трещины, т. е. зона, где полярный угол φ
принимает значение, равное α (рис. 4).
Поэтому при определении устойчивости тампонажной оболочки в этой зоне
необходимо определять необходимый минимальный радиус завесы, обеспечи-
вающий эту устойчивость. С учетом выражения (9) имеем
( ) ( )[ ]
( )[ ] [ ] ,
2coscos12
1 0max
00
0
min c
Т
c
ci
ci
k R
P
P
R
gPP
PPP
R +≥
+
⋅⋅−=−
−+∆= αδ
αϕρβδτ
βδ (10)
где (Rk)min — размер изоляционной завесы в наиболее слабой зоне; а — ко-
эффициент запаса прочности изоляционной завесы; δmах — максимально на-
блюденное раскрытие трещин на участке; Rc —радиус шахтного ствола в про-
ходке; Рт — допустимая пластическая прочность тампонажного раствора.
Остальные обозначения прежние.
Для обеспечения эффективности предварительного тампонажа горных по-
род и контроля качества выполнения работ важно знать структуру и размеры
сформированных завес [5], которые оцениваются в основном гидродинамиче-
скими методами. Кривые восстановления давления (КВД) в этом случае пере-
страиваются в полулогарифмических координатах и по выделенным прямоли-
нейным участкам определяются коэффициент проницаемости и другие фильт-
рационные параметры пласта. После нагнетания раствора вокруг скважины
формируется тампонажная завеса, размеры которой колеблются от нескольких
до десятков метров. Фильтрационная структура завесы неоднородна, а ее изо-
ляционные свойства уменьшаются с увеличением радиуса. В связи с малым
временем прохождения через зону ухудшенной проницаемости фронта возму-
щения не удается выделить достаточно представительный прямолинейный уча-
сток, характеризующий восстановление давления в затампонированной зоне.
Предложенная нами методика изучения зональной неоднородности сформиро-
ванных изоляционных завес основана на использовании интегральных характе-
ристик КВД — детерминированных моментов. Рассмотрим скважину как дина-
мическую систему, которая описывается дифференциальным уравнением пер-
вого порядка:
,dd tp caP =+ (11)
"Геотехническая механика" 209
где Р — изменение давления на устье, соответствующее текущему времени t
после остановки скважины, Па. С помощью метода модулирующих функций на
интервале времени [to, Т] для вычисления параметров а и с получим систему
алгебраических уравнений. Из уравнения (11) следует, что.
( ) ( ) ( ),exp;lim 0
11 atPсаtPсаPtP плt −−=== −−
∞→
где Рпл — пластовое давление, Па.
Постоянная Ро определяется методом наименьших квадратов по КВД на ин-
тервале [t0, T]. Детерминированные моменты µn рассчитываются по формуле
( )[ ] ( )∫∫
∞
−+⋅−=
T
nn
T
tплn dtattPdttPP ,exp0
0
µ (12)
где n=0, 1, 2.
Для данного временного промежутка диагностический признак ( ) 2
120
−= µµµd .
Вычисляя значения d для различных Т, получим диагностическую функцию
d(T). Максимальное ее значение dmax достигается при T—tmax. Коэффициент не-
однородности α=0,17ехр (l,2dmax).
Учитывая, что время прохождения фронта возмущения через границу за-
тампонированной зоны to = 0,0lα tmax, найдем выражение для радиуса этой зоны
,exp
15
*
*
max0
⋅=
β
α
tg
P
t
tr
R (13)
где r0 — радиус скважины, м;
t* и Р* — координаты точки на выделенном прямолинейном участке КВД,
соответствующем незатампонированной части пласта, с и Па;
tgβ — тангенс угла наклона прямолинейного участка КВД. Коэффициент
проницаемости на границе затампонированной зоны рассчитывается по форму-
ле
( ),4/ βαπµ MtgqK ⋅⋅⋅= (14)
где q — производительность насоса, м3/с;
µ — вязкость воды, Па с;
М — мощность горизонта, м.
Предложенная методика позволяет определить фильтрационную неодно-
родность и размеры сформированной тампонажной завесы. Методика апроби-
рована при выполнении тампонажных работ на ряде объектов шахтного строи-
тельства.
Касаясь горнотехнических аспектов регламента цементационно-
тампонажного упрочнения пород над стволами нами использованы разработки,
210 Выпуск № 78
приведенные в работе [6]. В частности рекомендовано:
1) для тампонажа использовать смесь «БИ-крепь», разработанную специа-
листами ЗАО «Донецксталь», характеризующуюся при твердении высокой
прочностью: 1 сут. – 9-12 МПа; 7 сут. – 28 МПа; 28 сут. – 39-45 МПа;
2) в качестве нагнетательных агрегатов целесообразно использовать обору-
дование типа MOHO WT-820 (0,6 МПа) или машину многоцелевую бетоноук-
ладочную МБМ (до 5 МПа).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Булат А.Ф. Методическое пособие по комплексной геофизической диагностике породного массива и
подземных геотехнических систем // А.Ф. Булат, Б.М. Усаченко, В.Н. Соколовский / Днепропетровск, ИГТМ
НАН Украины, 2004. – 75 с.
2. Виноградов В.В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок. – К.: Наук.
думка, 1989. – 192 с.
3. Пшеничный Ю.А. Расчет технологических параметров тампонажа упругодеформируемого горного мас-
сива.// Шахтное строительство №2, 1988. – с. 18-19.
4. Кузмичев Д.Н. Уравнение притока мощности из трещиноватого коллектора. Труды ГрозНИИ, вып.Х.
Грозный, 1961, с.68-77.
5. Пшеничный Ю.А., Букарев К.П. О зональной фильтрационной неоднородности сформированных изоля-
ционных завес. // Уголь Украины №10, 1986 – с.42.
6. Булат А.Ф. Временный технологический регламент по охране подготовительных выработок угольных
шахт литыми полосами из твердеющих материалов // А.Ф. Булат, М.А. Ильяшов, Б.М. Усаченко / Днепропет-
ровск: РИА «Днепр-VAL», 2004. – 33 с.
|