На правах рукописи

МАЙОРОВ Александр Евгеньевич

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ

АНКЕР-ИНЪЕКЦИОННОГО КРЕПЛЕНИЯ

КАПИТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ЦЕМЕНТНЫХ РАСТВОРОВ И СЫПУЧЕГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ

Специальность 25.00.22 – «Геотехнология

(подземная, открытая и строительная)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Кемерово 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Кемеровском научном центре Сибирского отделения Российской академии наук и на кафедре теоретической и геотехнической механики Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева».

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Хямяляйнен Вениамин Анатольевич

Официальные оппоненты:

Першин Владимир Викторович, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева», заведующий кафедрой строительства подземных сооружений и шахт;

Фрянов Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет», заведующий кафедрой разработки пластовых месторождений;

Шуплик Михаил Николаевич, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный горный университет», профессор кафедры строительства подземных сооружений и шахт.

Ведущая организация:

ОАО «Кузбассгипрошахт».

Защита состоится « 25 » октября 2012 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.02 Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» по адресу: 650026, г. Кемерово, ул. Весенняя, д. 28. Тел.:

(3842) 39-63-36. E-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева».

Автореферат разослан «_» 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Иванов В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время происходит интенсификация подземной угледобычи, увеличение глубины ведения горных работ с усложнением горно-геологических и горнотехнических условий. На действующих шахтах России к благоприятным условиям подземной добычи угля отнесено менее 50% разведанных запасов. В Кузбассе, как ведущем угольном регионе и месте проведения исследований, до 60 % вмещающих пород непосредственной кровли относятся преимущественно к IV и V классам, т.е. ниже средней устойчивости и неустойчивые с прочностью на сжатие 10–45 МПа.

Аварии и несчастные случаи при проведении и поддержании горных выработок в основном сопровождаются обрушением непосредственной кровли с остановкой работ.

При строительстве и эксплуатации угольных шахт в подобных условиях одной из главных проблем является обеспечение устойчивости выработок, которая в основном решается возведением крепи. Трудоемкость крепления выработок в проходческом цикле занимает 30-60%. Процесс крепления, особенно капитальных выработок, является одним из самых дорогостоящих.

Возрастающие объемы проведения капитальных выработок в нарушенных породах требуют развития крепления с низкой материалоемкостью и трудоемкостью работ, позволяющего обеспечивать заданную устойчивость приконтурного массива.

Из эффективных средств повышения устойчивости нарушенных пород известно их инъекционное упрочнение и анкерование. При этом рационально применение доступных цементных растворов и минеральных заполнителей.

Несмотря на успехи и имеющийся положительный опыт цементации нарушенных горных пород достигаемая плотность и прочность массива не всегда обеспечивает требуемую несущую способность, ограничивая использование инъекционного упрочнения как способа крепления выработок. Сложившееся положение обусловлено недостаточной изученностью процессов формирования физико-механических и структурно-реологических характеристик цементного раствора, физических особенностей заполнения трещин в нарушенном массиве пород при отфильтровывании жидкой фазы.

В сложных условиях проходки применяют в основном более надежные беззамковые классы анкерной крепи. Работами ИГД СО РАН доказана перспектива использования для закрепления анкеров сыпучего минерального заполнителя (МЗ) – песка, за счет сил трения, сцепления и дилатансии. МЗ дёшев, термостоек, химически инертен. Анкеры, закрепляемые сыпучим минеральным заполнителем (АКМЗ) могут совместить функций временной крепи и конструктивных элементов комбинированной крепи, реализовать при работе распределенную нагрузку на контур скважины. Перспективна идея использования скважин с АКМЗ для нагнетания цементных растворов и дренажного сброса излишней для процесса гидратации жидкой фазы, исключающая дополнительные объемы бурения. При этом не проработаны аспекты формирования втулки из МЗ как несущей и фильтрующей среды, не обоснованы конструктивные и технологические параметры АКМЗ.

Известные способы комбинированного анкер-инъекционного крепления в основном рассматриваются как сочетание положительных признаков.

Резерв развития заложен в получении нового качества – реализации процессов консолидации (совмещенное уплотнение, укрепление, сращивание), что позволит изменять физико-механические характеристики нарушенных пород и управлять состоянием приконтурного массива, используя его несущую способность.

Таким образом, для обеспечения устойчивости выработок и снижения материалоемкости при строительстве и эксплуатации угольных шахт актуально научное обоснование и разработка технологии анкер-инъекционного крепления с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя, рассматриваемой как единый процесс нагнетания, дренирования и анкерования при консолидации нарушенного массива пород.

Работа выполнена в рамках программы СО РАН «Научное и технологическое обеспечение социально-экономического развития Кемеровской области»; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 г.г., КузГТУ; именного гранта Губернатора Кемеровской области для молодых ученых – кандидатов наук на проведение фундаментальных и прикладных исследований по приоритетным направлениям социально-экономического развития Кемеровской области, КемНЦ СО РАН, г.; государственного контракта №26-ОП-08, ИУУ СО РАН, 2008 г.; хоздоговорных тематик ИУУ СО РАН 1996–1998 г.г.

Цель работы. Обоснование и разработка технологии анкеринъекционного крепления капитальных выработок с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя, обеспечивающего устойчивость контура и снижение материалоемкости при строительстве и эксплуатации угольных шахт.

Основная идея работы заключается в использовании закономерностей процесса цементации трещин с дренажем жидкой фазы раствора, совмещенного с работой анкеров, закрепляемых сыпучим заполнителем – песком, при обосновании и выборе конструктивных и технологических параметров анкер-инъекционного крепления.

Задачи исследований:

– установить влияние дренажа жидкой фазы на процесс заполнения трещин цементным раствором;

– установить взаимосвязь основных технологических параметров процесса цементации трещин при отфильтровывании жидкой фазы раствора через дренажные скважины;

– выявить процессы формирования втулки из сыпучего минерального заполнителя при механическом нагружении анкера в скважине;

– разработать анкеры, закрепляемые сыпучим минеральным заполнителем и обосновать их конструктивные параметры;

– обосновать основные технологические параметры установки механизации процесса заполнения скважин сыпучим материалом – УЗА-СМ;

– разработать технологию анкер-инъекционного крепления капитальных выработок на основе цементации трещиноватых горных пород и анкеров с сыпучим минеральным заполнителем.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий научный анализ и обобщение теории и практики крепления горных выработок, эффективности разработанных способов и конструктивных элементов крепления, результатов их внедрения, метод анализа размерностей, статистическую обработку результатов экспериментов. В том числе, при решении задач использованы экспериментальные стендовые исследования фильтрации и отфильтровывания при плоском движении суспензии на различных моделях искусственной щели и методы электронной микроскопии – 1-2 задачи; оценка проникающей способности твердых частиц разной формы через щелевое пространство гравитационной решетки – 2 задача; нагружение сыпучих материалов в щелевом пространстве, графические и экспериментальные методы строительной механики и механики сыпучих сред – 3 задача; нагрузочные испытания анкерной крепи в искусственной скважине на разрывной машине – 4 задача; методы механики сплошных сред – 1-4 задачи; экспериментальные натурные исследования разработанных конструкций и технологий (нагрузочные испытания экспериментальных образцов крепи, хронометраж технологических циклов, регистрация сбоев, работы узлов и элементов конструкций на отказ), технико-экономический анализ эффективности разработанных элементов технологии анкер-инъекционного крепления – при решении 5 и 6 задач.

Объект исследования: технология комбинированного крепления, консолидирующего приконтурный массив трещиноватых пород при проведении и поддержании горных выработок угольных шахт.

Предмет исследования: технология анкер-инъекционного крепления капитальных выработок с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя.

Научные положения, защищаемые автором:

– процесс заполнения трещин цементным раствором при постоянном инъекционном давлении и локальном отфильтровывании жидкой фазы происходит с неравномерной упаковкой и скоростью движения частиц, сопровождаясь скачком расхода, что описывается кубической зависимостью массового расхода по цементу от линейной плотности потока частиц цемента;

– массовые цементно-водное отношение и расход раствора по цементу в процессе цементации трещин при отфильтровывании жидкой фазы через дренажные скважины связаны между собой параболической зависимостью с наличием максимума при значениях коэффициента формы частиц цемента от 0,4 до 0,65 и от 0,5 до 2;

– втулка из сыпучего минерального заполнителя при механическом нагружении анкера зонально структурируется с образованием по поверхностям сдвига и эстафетной перекомпоновкой слоев распора, при этом зоны пластических деформаций на уровне и под головкой анкера распространяются на расстояние до 5 диаметров скважины, а полное вырождение структурных смещений происходит на расстоянии зоны от 5 до 20 диаметров скважины;

– разработанная конструкция анкера закрепляется в скважине сыпучим минеральным заполнителем за счет сил трения, сцепления и дилатансии при использовании песка фракцией (0,1–1,0)·10-3 м с содержанием глины до 4 % и влажностью 6%, величине кольцевого зазора между стенкой шпура и головкой анкера (1,0–1,5)·10-3 м, длине головки 45·10-3 м и ее угле заклинивания от 10° до 90°;

– основными параметрами УЗА-СМ, обеспечивающими качественное закрепление анкеров с высокой скоростью, являются производительность от 0,33 кг/с, коэффициент заполнения скважин сыпучим минеральным заполнителем более 0,6, зависящий от показателя аэродинамического уплотнения от 25 кг·с/м4 и скорости вылета частиц от 5 до 30 м/с из сопла установки при его расстоянии до забойной зоны скважины 0,5–0,6 м;

– разработанная технология анкер-инъекционного крепления включает в себя комплекс решений по созданию сетки дополнительных дренажных скважин с установкой в них анкеров с сыпучим минеральным заполнителем, радиальному к оси дренажных скважин отфильтровыванию жидкой фазы с ее свободным сбросом, отфильтровыванию жидкой фазы при нагнетании раствора через инъекционные анкеры или скважины с анкерами, заполненными сыпучим минеральным заполнителем только на минимально необходимую для равнопрочного закрепления длину втулки.

Научная новизна работы заключается:

– в установлении влияния локального отфильтровывания жидкой фазы на процесс заполнения трещин цементным раствором при постоянном инъекционном давлении;

– в установлении зависимости массового цементно-водного отношения от расхода раствора по цементу в процессе цементации трещин при отфильтровывании жидкой фазы через дренажные скважины;

– в выявлении процессов зонального структурирования втулки из сыпучего минерального заполнителя при механическом нагружении конструкции анкера в скважине;

– в обосновании конструктивных параметров разработанных анкеров, закрепляемых сыпучим минеральным заполнителем (песком) применительно к исследуемой технологии анкер-инъекционного крепления;

– в обосновании основных технологических параметров установки УЗА-СМ, обеспечивающих качественное закрепление анкеров в скважинах различного расположения в пространстве с высокой скоростью и формирующих фильтрующую среду для цементных растворов;

– в разработке технологии анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок, включающей в себя комплекс научно обоснованных решений по консолидации трещиноватых пород цементацией с дренированием жидкой фазы раствора через группы скважин с предварительно установленными анкерами и сыпучим минеральным заполнителем.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

– применением апробированных классических методов строительной механики и механики сыпучих сред, методов механики сплошных сред, теории подобия и математической статистики, методов электронной микроскопии;

– удовлетворительной сходимостью (расхождение не более 10 %) результатов аналитических, экспериментальных лабораторных, натурных исследований конструктивных и технологических характеристик элементов анкер-инъекционного крепления трещиноватых горных пород;

– положительными результатами опытно-промышленной проверки технологий инъекционного упрочнения массива горных пород с дренированием жидкой фазы раствора и основных несущих конструктивных элементов анкер-инъекционного крепления – АКМЗ и технологии их возведения при помощи УЗА-СМ в процессе проходки 4 экспериментальных участков выработок угольных шахт Кузбасса общей протяженностью 91 м.

Личный вклад автора заключается:

– в анализе и обобщении результатов известных теоретических и экспериментальных исследований в области крепления горных выработок и упрочнения горных пород, постановке и выполнении задач данного исследования, в разработке методик и проведении экспериментальных исследований (часть в соавторстве), в обосновании, разработке и формулировке всех положений диссертационной работы;

– в установлении влияния дренажа жидкой фазы на процесс заполнения трещин цементным раствором;

– в установлении зависимости массового цементно-водного отношения от расхода раствора по цементу в процессе цементации трещин при отфильтровывании жидкой фазы через дренажные скважины;

– в выявлении процессов зонального структурирования втулки из сыпучего минерального заполнителя при механическом нагружении конструкции анкера в скважине;

– в обосновании конструктивных параметров разработанных анкеров, закрепляемых сыпучим минеральным заполнителем (песком) применительно к исследуемой технологии анкер-инъекционного крепления;

– в обосновании основных технологических параметров установки УЗА-СМ, обеспечивающих качественное заполнение скважин сыпучим минеральным заполнителем для закрепления АКМЗ и формирования фильтрующей среды цементных растворов, в разработке конструкции рукояти управления;

– в разработке технологии анкер-инъекционного крепления капитальных выработок на основе цементации трещиноватых горных пород и анкеров с сыпучим минеральным заполнителем.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей процесса фильтрационного течения нестабильных цементных растворов, совмещенного с работой АКМЗ при упрочнении горных пород с одновременным отфильтровыванием жидкой фазы раствора через сыпучий материал дренажных скважин; в выявлении рациональных параметров процесса упрочнения нарушенных пород и обосновании на их основе технологии анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок, обеспечивающих консолидацию приконтурного массива.

Практическое значение работы. Применение разработанных конструкций и способов, созданных рекомендаций, методик исследований и расчетов основных параметров анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок позволяет в дальнейшем управлять состоянием массива горных пород, повысить качество цементации и устойчивость контура, снизить материалоемкость и стоимость крепления.

Реализация работы. Основные положения диссертационной работы вошли в РД (Методические указания по технологии консолидации нарушенных приконтурных пород горных выработок инъекционной цементацией и анкерами с сыпучим минеральным заполнителем / КемНЦ СО РАН, КузГТУ, ИУ СО РАН, ООО «ППЦ Кузниишахтострой». – Кемерово, 2011. – 41 с.).

Разработанные последовательности расчетов, рекомендации по условию применения и выбору рациональных параметров, результаты стендовых и шахтных испытаний, технические решения, использованы для разработки технической документации и паспортов крепления горных выработок. Основные элементы технологии анкер-инъекционного крепления прошли стендовые и предварительные натурные испытания на 4 экспериментальных участках горных выработок шахт «Комсомолец» ОАО «Ленинскуголь» и «Краснокаменская» ПО «Прокопьевскуголь» общей протяженностью 91 м.

Результаты исследований в области фильтрации цементных растворов и разработанная научно-методическая база использованы в Шаньдунском научнотехническом университете (г. Циндао, Китай) при проведении исследований, разработке и проектировании новых технологий крепления выработок угольных шахт.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки» 1998 г. (ИУУ СО РАН, КузГТУ, Кемерово); международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» 1999 г.

(КузГТУ, Кемерово); международной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук» 2006 г. (ИГД СО РАН, Новосибирск); КитайскоРоссийской международной конференции «Проблемы подземного и надземного строительства» 2008 г. (Шаньдуньский научно-технический университет, г. Циндао, Китай); конференции «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (с участием иностранных ученых) 2008 г. (ИГД СО РАН, Новосибирск); международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» 2008 г. (СибГИУ, Новокузнецк); научно-практической конференции «Управление механическими процессами дезинтеграции, инъекционного уплотнения и переработки горных пород» 2009 г. (КузГТУ, Кемерово); VIII международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах» 2009 г. (КузГТУ, Кемерово); VI Российско – Китайском симпозиуме «Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений» 2010 г. (КузГТУ и Шаньдунский научно-технический университет, Кемерово); ХIII международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири», СИБРЕСУРС-2010 (КузГТУ, Кемерово); ежегодных научных конференциях студентов, аспирантов и преподавателей КузГТУ 2004гг. (Кемерово), научных симпозиумах «Неделя горняка» – 2007, 2009, 2010 г.г. (МГГУ, Москва); международных научно-практических конференциях «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности», Экспо-Уголь 2010, 2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 научных работ, в том числе 9 публикаций в периодических изданиях из перечня ВАК РФ, патентов на изобретения РФ и 1 монография.

Объём и структура диссертации. Состоит из введения, 8 глав и заключения, изложенных на 294 страницах, содержит 83 рисунка, 23 таблицы, список литературных источников из 212 наименований, 3 приложения.

Автор признателен за помощь при выполнении работы д.т.н., профессору, заслуженному деятелю науки РФ В.А. Хямяляйнену, д.т.н., профессору, заслуженному деятелю науки РСФСР В.Ф. Горбунову, а также к.т.н., с.н.с.

ИУ СО РАН В.Е. Ануфриеву, труды и идеи которого явились основой при разработке анкерного крепления.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведено состояние вопроса по изученной проблеме.

С целью обеспечения надежной работы крепей и повышения устойчивости горных выработок в сложных горно-геологических, гидрогеологических и горнотехнических условиях в последние годы все в больших объемах применяются тампонаж закрепного пространства и инъекционное упрочнение приконтурного массива, предлагается применение комбинированных крепей с управляемой несущей способностью.

Исследованием тампонажа и инъекционного упрочения трещиноватых пород занимаются в МГГУ, СПбГУ, ИГД им. А.А. Скочинского, ПО «Спецтампонажгеология», в комбинатах «Днепрошахтострой», «Кузбассшахтострой», ДонУГИ, МГУ, МакИСИ, СибГИУ, УГГУ, Кузбасском и Пермском государственных технических университетах, Гидроспецпроекте, ВНИИГе им. Б.Е. Веденеева, ЦНИИСе, ВНИИОМШСе, ВИОГЕМе, ОАО «КузНИИшахтострой» и других научно-исследовательских и производственных организациях.

Современный уровень развития инъекционных технологий при проходке горных выработок и упрочнении породного массива достигнут благодаря работам А.Н. Адамовича, И.Т. Айтматова, А.Н. Александрова, Э.Э. Алласа, А.А. Баряха, И.В. Баклашова, Ю.В. Буркова, И.И. Вахрамеева, Н.Н.

Волкова, П.П. Гальченко, Е.Г. Дуды, Е.Б. Дружко, B.В. Евтушенко, Л.М.

Ерофеева, Ю.З. Заславского, Е.П. Калмыкова, А. Камбефора, Б.А. Картозия, И.В. Качана, Э.Я. Кипко, А.Б. Кондратова, Б.И. Кравцова, Ю.Н. Куликова, Г.И. Комарова, В.А. Лагунова, Н.Т. Логачева, A.З. Литвина, Г.Г. Литвинского, О.Ю. Лушниковой, А.П. Максимова, Г.И. Маньковского, В.И. Митракова, И.Д. Насонова, В.В. Першина, Ю.А. Полозова, Б.Д. Половова, C.М. Простова, Е.Б. Росстального, М.А. Саламатова, Ю.Н. Спичака, П.С. Сыркина, Н.Г.

Трупака, А.В. Угляницы, Г.С. Франкевича, В.Н. Фрянова, B.Г. Хейфеца, В.А.

Хямяляйнена, А.А. Шилина, М.Н. Шуплика и др.

Для шахтного строительства представляют интерес исследования, выполненные в области гидротехнического строительства применительно к цементации горных пород вокруг тоннелей, в основаниях и теле плотин, в основаниях подземных зданий и сооружений ГЭС. Данные исследования отражены в трудах А.Н. Адамовича, Э.Э. Алласа, В.Ф. Илюшина, Л. Иовановича, Д.В. Колтунова, Б. Куюнджича, В.С. Мазура, А.Н. Мещерякова, В.М.

Насберга, П.У. Пониматкина, 3. Родославлиевича, Г.Г. Хачикяна, В.С. Эристова и др. Важны результаты исследований цементации применительно к условиям нефтяных, газовых, разведочных и технических скважин, отраженные в работах А.И. Булатова, А.С. Волкова, Р.Н. Тевзадзе, Р.Ф. Уханова и др.

Из анализа вышеприведенных работ следует, что технология инъекционного воздействия на массив растворами на основе вяжущего развивалась в основном применительно к созданию противофильтрационных завес. При этом разработаны теоретические основы гидродинамики стабильных и нестабильных тампонажных растворов, рекомендации по технологии и режимам закачки растворов. Доказано, что самым простым, дешевым и весьма эффективным средством обеспечения устойчивости породных обнажений в самом широком диапазоне горнотехнических и горно-геологических условий, является инъекционное упрочнение цементацией.

Основными причинами, сдерживающими применение инъекционного упрочнения, являются отсутствие соответствующего научного обоснования, учитывающего водоотдачу цементных растворов, отсутствие конкурентоспособных конструкций крепи и комплексных технологий возведения несущих оболочек вокруг выработок.

Для управления состоянием приконтурной зоны и увеличения ее несущей способности, также в качестве временной облегченной крепи, целесообразно применение анкеров. Значительный вклад в развитие анкерного крепления в России внесли ИГД им. А.А. Скочинского, МГГУ, СПбГУ, ВНИМИ, КузНИУИ, ИГД СО РАН, ИУ СО РАН, ВНИИГидроуголь, ШахтНИУИ, КузНИИшахтострой, КузГТУ и др.

Практическую ценность для сложных условий представляют беззамковые классы активных анкерных крепей, реализующих при своей работе распределенную нагрузку на контур скважины. Особо необходимо отметить работы ИГД СО РАН связанные с созданием новых конструкций анкеров, закрепляемых МЗ, изучением механизма взаимодействия МЗ со стенками скважин в процессе нагружения, заполнением скважин песком (Е.И. Шемякин, С.Б. Стажевский, А.Ф. Ревуженко и др.).

Дальнейший анализ комбинированных технологий доказывает необходимость развития анкер-инъекционного крепления на базе цементных растворов и МЗ, актуальность научного обоснования параметров для решения проблемы обеспечения устойчивости контура нарушенных горных пород, снижения материалоемкости и трудоемкости работ при строительстве и эксплуатации капитальных выработок.

Таким образом, сформулированы цель, основная идея и задачи исследований, решение которых отражено в следующих главах работы.

Во второй главе приведено решение первой задачи.

Исследован процесс фильтрационного течения цементного раствора в пространстве щели при изменении его массовой концентрации. Цементные растворы в данной работе рассматриваются как водо-твердые суспензии, представленные в виде гетерогенной системы, когда сжимаемостью фаз и инерционными силами из-за ускорения материальных частиц можно пренебречь. Непосредственно движение суспензии рассматривается как гидротранспорт дисперсных частиц, образующих поток с определенной плотностью.

При цементации трещин горных пород использование низкоконцентрированных растворов обусловлено необходимостью повышения их проникающей способности. В процессе течения цементных растворов в пространстве трещины происходит отфильтровывание жидкой фазы с непрерывным повышением концентрации и изменением структурно-реологических характеристик.

В соответствии с работами Graham B. Wallis и Р.И. Нигматулина по механике многофазных сред известно, что в двухфазном течении, при наличии зависимости между расходом и концентрацией всегда наблюдаются волновые процессы при массопереносе частиц. Учитывая данный факт, для оценки скорости движения и расхода цементных частиц в плоскопараллельном потоке раствора его массовую концентрацию по цементу представим в виде массового распределения цемента по длине трещины при ее известных линейных размерах, т.е. в виде линейной плотности потока раствора (кг/м):

где Мц – масса цемента в трещине, кг; Vр – объем раствора в трещине, м3; Sтр – площадь трещины, м2; Ц и В – относительное массовое содержание цемента и воды в растворе концентрацией = Ц:В; ц и в – плотность соответственно цементной частицы и воды, ц = 3000 кг/м3, в = 1000 кг/м3.

Серия экспериментов по перепуску фиксированных порций цементного раствора с ПЦ М400 разной концентрации при фиксированном давлении проведена на модели искусственной щели раскрытием 2·10-3 м, длиной 1 м и шириной 70·10-3 м с наведенной шероховатостью на внутренней поверхности непроницаемых стенок и соблюдением критериев гидродинамического подобия.

При анализе результатов исследований получена кубическая зависимость массового расхода по цементу Qm (кг/с) от линейной плотности потока частиц цемента (рис. 1). Зависимость аппроксимируется участком полинома третьей степени Qm = –0,00018· 3 + 0,027· 2 + 0,72· + 0,73 при R2 = 0,971.

Классическая форма кривой подтверждает факт образования волн приливов плотности частиц цемента в потоке суспензии при наличии дренажа в конце трещины. При этом, зная концентрацию раствора на конкретном участке трещины всегда можно определить скорость потока частиц цемента и их расход. Скорость движения частиц цемента Vц в потоке при начале цементации трещины определяется углом наклона прямой 0D к горизонту, что соответствует значению arctgVц и изменяется неравномерно.

Рис. 1. Зависимость изменения массового расхода по цементу от линейной плотности потока частиц цемента при его истечении из щели Если в потоке отсутствует дисперсная фаза, то = 0, когда частицы расположены вплотную друг к другу, соответственно = mах.

Процесс заполнения щели от точки D при начальном значении ц соответствуют положительному наклону кривой Qm() в диапазоне значений между точками 0А. После начала отфильтровывания жидкой фазы суспензия структурируется. Новое значение распространяется навстречу потоку. В точке N, изображающей новую ситуацию, кривая имеет отрицательный наклон, переходя точку максимума А. Причем одному и тому же значению Qm могут соответствовать два различных значения. Повышение линейной плотности потока частиц цемента по мере отфильтровывания жидкой фазы сопровождается скачком расхода от исходного значения до Qmmax и возвратом к исходному. Волна прилива плотности движется навстречу потоку с отрицательной скоростью Vs (скорость движения границы раздела раствора), соответствующей углу наклона линии DN к горизонту.

В области BС графика плотность потока непрерывно изменяется. При линейной плотности потока частиц цемента близкой к 2 раствор находится в состоянии структурированной смеси, что инициирует частичное кратковременное заклинивание частиц цемента. При повышении значения более 2 выход раствора из щели осуществляется в режиме пульсации – периодического изменения общего расхода. Повышение концентрации испытываемого раствора до mах приводит к закупориванию щели. Конечное время нагнетания раствора в трещину ограничено временем схватывания цемента, останавливающим все описанные процессы. Значение max для уплотненной структуры частиц распространяется от места отфильтровывания по длине трещины со скоростью скачка Vmax, соответствующей тангенсу угла наклона касательной к кривой Qm(), проведенной из точки = max, Qm = 0.

Таким образом, значение линейной плотности потока суспензии для зависимости Qm() может иметь следующие принципиальные значения: до точки максимума – участок 0А; непосредственно в точке максимума А; после точки максимума до начала пульсаций потока – участок АВ; в процессе пульсаций до max – участок ВС.

Выявленная неравномерность скорости движения частиц, сопровождаемая скачком массового расхода потока по цементу, предполагает и неравномерность упаковки частиц по длине трещины. Для подтверждения указанного исследован процесс структурирования частиц цемента при цементации одиночной трещины с отфильтровыванием жидкой фазы в конце потока.

Плоскопараллельный поток цементного раствора движется под давлением нагнетания Pn из нагнетательной скважины по вскрытой трещине приконтурной зоны в сторону дренажной скважины, заполненной песком (рис.

2). Проницаемость стенок трещин не учитывается.

Рис. 2. Стадии структурирования цементного раствора при отфильтровывании жидкой фазы в конце плоскопараллельного потока Из нагнетательной скважины суспензия попадает во вскрытую трещину приконтурной зоны и движется по ней к дренажной скважине с относительно постоянной скоростью, превышающей критическую безосадочную.

Момент достижения фильтрующей среды и заполнения полости трещины соответствует достижению точки D (рис. 1).

Учитывая результаты замеров величины порового пространства на микрофотографиях (растровый электронный микроскоп «Jeol JSM 6390 LA») структуры частиц цемента в образцах цементного раствора с различных участков стенда фильтрационной дренажной щели выделено три структурные стадии, последовательно переходящие одна в другую:

А – частицы цемента находятся в свободном взвешенном состоянии.

Фильтрование «с постепенным закупориванием пор» и последующая кольматация устьев пор фильтрующего элемента (втулки МЗ) с образованием устойчивых «мостиков» из расклиненных между собой частиц цемента. На границе суспензия-фильтр образуется тонкий контактный слой в виде фильтровальной перегородки (рис. 2а). При этом система начинает работать как фильтр-патрон с щелевым подводом суспензии. Следующие слои доставленных гидротранспортом частиц вместе с устойчивыми «мостиками» срабатывают как клапан – «клапанный» эффект, чем и объясняется резкое повышение давления нагнетания суспензии при начале отфильтровывания ее жидкой фазы.

Б – частицы цемента в состоянии структурированной смеси, заполняющей при флокуляции весь объем в режиме «мостообразования» с высокой пористостью (агрегатное течение). Прирост плотности с движением волны плотностного прилива по длине трещины происходит в направлении движения суспензии – «эффект прямого прилива плотности». Временная стабилизация интенсивности водоотдачи после формирования контактного слоя объясняется переходом работы системы в режим «образования осадка», прирост которого сохраняется до некоего критического значения давления нагнетания Ркр-1, предельного для равновесия системы «мостиков». В данный период происходит отфильтровывание основного объема жидкой фазы. Дальнейший прирост плотности происходит от дренажной скважины в режиме обратной плотностной волны и распространяется по трещине навстречу потоку – «эффект обратного прилива плотности». Уплотненную зону возможно рассматривать как совокупность губчатых тонких слоев, расположенных параллельно поверхности фильтрования. Пористость каждого слоя при фильтровании непрерывно уменьшается во времени. Часть жидкости, удаляемая из пор, присоединяется к основному потоку жидкой фазы суспензии. Одновременно происходит перемещение мелких частиц цемента в направлении движения потока. Заполнение трещины смесью в стадии Б происходит до определенной точки, длины L1 (рис. 2б), где суммарный прирост сопротивления движению жидкой фазы суспензии вызывает повышение давление нагнетания выше значения Ркр-1. Происходит разрушение нестабильных «мостообразований», перекомпоновка структуры частиц и их уплотнение, со сдвижением условной границы А-Б в сторону отфильтровывания по течению потока на величину x1 до участка длинной L1-x1 (рис. 2в). Прирост сопротивления при уплотнении первого участка вызывает повышение давление нагнетания до некоторого значения Ркр-2 и дальнейшее структурирование смеси до стадии Б уже перед зоной L1-x1 на величину L2 (рис. 2г). Аналогичный последующий рост давления нагнетания до некоторого значения Ркр-3 вызывает смещение второго участка на величину x2 до зоны L2-x2 и на первом участке на величину x12, сжимая его уже до зоны L1-x1-x12, и так далее. Процесс уплотнения частиц имеет предел, достигает своего максимума в донной части трещины, где переходит в следующую стадию.

В – частицы цемента в состоянии уплотненной структуры (получаемый цементный камень обладает определенными прочностными свойствами). При выравнивании сил сопротивления движению и давления нагнетания суспензии, фильтрация прекращается вместе с процессом цементации.

Таким образом, при цементации трещины прирост плотного слоя по длине происходит на величину Ln и откатом на величину xn, суммарно прирастающей от очередных смещений каждой зоны. При этом x1>x2>xn,