Ликвидация пустот старых горных выработок тампонированием
Розглядається один із способів ліквідації порожнин старих гірничих виробок шляхом тампонування. Об'єм необхідного тампонажного матеріалу визначається за результатами буріння свердловин на горизонт залягання порожнини. Акцентується увага на використанні відповідних тампонажних розчинів, виходячи...
Saved in:
| Date: | 2009 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
2009
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15934 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Ликвидация пустот старых горных выработок тампонированием / А.Н. Феофанов // Наукові праці УкрНДМІ НАН України — 2009. — № 4. — С. 50-60. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860030885449957376 |
|---|---|
| author | Феофанов, А.Н. |
| author_facet | Феофанов, А.Н. |
| citation_txt | Ликвидация пустот старых горных выработок тампонированием / А.Н. Феофанов // Наукові праці УкрНДМІ НАН України — 2009. — № 4. — С. 50-60. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Розглядається один із способів ліквідації порожнин старих гірничих виробок шляхом тампонування. Об'єм необхідного тампонажного матеріалу визначається за результатами буріння свердловин на горизонт залягання порожнини. Акцентується увага на використанні відповідних тампонажних розчинів, виходячи з гірничо-геологічних умов.
One of the methods for elimination of old mine cavities by plugging is considered. The volume of necessary plugging material is determined by the results of borehole drilling down to the depth of the cavity. Attention is focused on the use of grouting mortars based on mining-geologic conditions.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:51:37Z |
| format | Article |
| fulltext |
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 4, 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 4, 2009
50
УДК 550.822:622.838
ЛИКВИДАЦИЯ ПУСТОТ СТАРЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
ТАМПОНИРОВАНИЕМ
Феофанов А. Н.
(УкрНИМИ НАНУ, г. Донецк, Украина)
Розглядається один із способів ліквідації порожнин старих
гірничих виробок шляхом тампонування. Об'єм необхідного там-
понажного матеріалу визначається за результатами буріння
свердловин на горизонт залягання порожнини. Акцентується
увага на використанні відповідних тампонажних розчинів, вихо-
дячи з гірничо-геологічних умов.
One of the methods for elimination of old mine cavities by plug-
ging is considered. The volume of necessary plugging material is de-
termined by the results of borehole drilling down to the depth of the
cavity. Attention is focused on the use of grouting mortars based on
mining-geologic conditions.
Одним из способов борьбы со старыми горными выработ-
ками (пустотами), сохранившимися на малых глубинах и пред-
ставляющими опасность с точки зрения активизации над ними
процесса сдвижения породного массива с образованием прова-
лов, является их ликвидация путём тампонажа. Предполагается
по возможности полное заполнение свободного пространства
тампонажным материалом (пульпой) до кровли выработки, соз-
давая подпор породам кровли, исключая возможность после-
дующих обрушений. Объём необходимого тампонажного мате-
риала определяется размерами и состоянием старой выработки
(пустая, обрушенная, частично заполненная и т.д.).
На сегодняшний день самым достоверным способом опре-
деления состояния старых горных выработок, расположенных на
малых глубинах, является бурение контрольных скважин. При
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 4, 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 4, 2009
51
этом возможный объём тампонажного материала можно опреде-
лить из результатов бурения.
В процессе проведения буровых работ провал бурового ин-
струмента на величину l2 (рис. 1) свидетельствует о наличии пус-
тоты (купола или свода обрушения). Ускоренная проходка в ин-
тервале l1 с усиленным поглощением промывочной жидкости – о
наличии зоны обрушенных (перемятых, разуплотнённых) пород.
Таким образом, фиксируемые изменения в работе бурового стан-
ка и состояние полученного керна позволяют судить о высотах
перечисленных зон и породах, слагающих толщу над выработкой.
Это и есть та первичная информация, на основании которой
складывается представление о состоянии старой выработки и по-
родного массива, залегающего над ней. Немаловажен вопрос по-
вышения информативности получения такого рода сведений [1].
Рис. 1. Схема к определению объёма тампонажного мате-
риала для заполнения локальной выработки (пусто-
ты): 1 – пустота (выработка с обрушением), 2 – об-
рушенные породы, 3 – скважина
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 4, 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 4, 2009
52
Особую ценность такая информация приобретает при про-
ектировании застройки площадок, попадающих в зону влияния
старых горных выработок, когда решается вопрос о возможности
строительства поверхностных объектов и их дальнейшей безо-
пасной эксплуатации. В настоящее время уже есть определённые
наработки в оценке степени опасности той или иной старой вы-
работки, исходя из условий её залегания, состояния и т.п. [2], но
природа провалообразования ещё не изучена до конца и на самый
важный вопрос: когда же обрушится та или иная выработка, пока
нет ответа. Существует парадоксальная ситуация: уже сегодня
мы можем приблизительно ответить на вопрос второго плана:
выйдет провал на поверхность от той или иной старой выработки
или нет, при котором глубина залегания выработки, как фактор,
является решающим. Но нет ответа на вопрос: а будет ли разви-
ваться провал вообще над той или иной выработкой когда-либо.
Ведь практика в решении таких вопросов показывает, что из того
огромного количества пустот, сохранившихся в недрах горно-
промышленных районов, лишь небольшая их часть проявляет се-
бя в виде повреждений земной поверхности и то при определён-
ных условиях. А остальные как стояли, так и продолжают стоять
и ещё неизвестно (к сожалению) как долго простоят. Другой во-
прос, что проявление даже того относительно малого числа ста-
рых горных выработок является опасным для поверхности и её
объектов.
Поэтому проектировщики не особо доверяют «сырым» рас-
чётам, и, если позволяет финансирование, стараются как можно
лучше обезопасить свои объекты, применяя, более дорогие, но
надёжные и проверенные способы ликвидации пустот или стаби-
лизации породной толщи. Это относится как к одиночным (то-
чечным) объектам, так и к крупным (протяжённым), оказываю-
щим существенное давление на земную поверхность, подрабо-
танную большим количеством выработок на малых глубинах.
Учитывая, что большое влияние на устойчивость подраба-
тываемой толщи горных пород оказывает не только наличие пус-
тот, но и повышенная трещиноватость массива, то ведение работ
по их тампонажу является действенной мерой и даёт положи-
тельные результаты. При этом обеспечивается последующая
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 4, 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 4, 2009
53
безопасная эксплуатация объекта, и даже его повторная подра-
ботка по нижележащим пластам. Тампонажные работы заключа-
ются в заполнении трещин и пустот в породах или горных выра-
ботках отвердевающими или коагулирующими растворами, в ка-
честве которых могут быть использованы тампонажные растворы
на основе цементов, глинистые растворы, расплавленные битумы
с присадками, отвердевающие хим. растворы и т.д.
Наиболее важным с экономической точки зрения, особенно
в наше время, является вопрос определения необходимого коли-
чества самой пульпы (закладочного материала) и её состав, исхо-
дя из типа выработки, условий её залегания и состояния массива.
Конечно же, идеальным вариантом было бы заполнение одиноч-
ной выработки (пустоты) 1 (рис.1) частично заполненной обру-
шенными породами 2, состояние которой определено по резуль-
татам бурения скважины 3.
При этом исходным материалом будет являться размер вы-
работки в плане d, длина вынутого керна Н, из которого провал
бурового инструмента составил l2, а ускоренная проходка l1. Объ-
ём пустоты V, который необходимо заполнить пульпой определя-
ется как:
21 VVV −= , (1)
где V1 – объём пустоты (выработки с куполом обрушения);
V2 – объём породы, обрушенной на почву выработки.
На практике такие случаи сохранения одиночных локальных
выработок (пустот) почти не имеют место. Как правило, старые
подготовительные выработки являются протяжёнными и пересе-
каются с другими протяжёнными или очистными выработками
(рис. 2). И даже при отработке камерным способом всегда есть
место для накопления обрушенного материала со стороны при-
мыкающего пространства.
Рассмотрим наиболее характерный случай, когда скважина
подсекла старую протяжённую горную выработку, имеющую по
обе стороны свободное пространство, с образовавшимся сводом
обрушения и накопленным на почве выработки обрушенным ма-
териалом (рис. 3).
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 4, 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 4, 2009
54
а) тупиковая часть штрека, уклона, квершлага;
б) линейная часть протяжённой выработки;
в), г) пересечения двух или нескольких выработок, в том числе при
камерной системе отработки
Рис. 2. Схемы возможных обрушений протяжённых вырабо-
ток с накоплением обрушенного материала в сво-
бодном пространстве
Рис. 3. Схема к определению необходимого объёма тампо-
нажного материала для ликвидации пустоты в про-
тяжённой выработке
Trofymov Viktor
Rectangle
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 4, 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 4, 2009
55
Количество необходимого тампонажного материала будет
определяться по выражению:
231 2 VVVV −+= , (3)
где V3 – количество тампонажного материала, вылившееся в
примыкающее пространство под углом естественного растекания
пульпы ρ0 до полного заполнения выработки (пустоты).
При этом V3 определяется как
0
2
3 2
ρctgdhV = , (4)
где d – ширина выработки, м. При отсутствии данных при-
нимается не более 5 м, как предельная ширина для старых горных
выработок;
h – высота старой горной выработки, м. При отсутствии
данных принимается не более 3 м, как предельная высота для
старых протяжённых выработок.
Объём выработки с сохранившейся над ней пустотой соста-
вит:
)( 21
22
1 lldHdV +== , (5)
где l1 – высота конуса обрушения на почве выработки, м;
l2 – высота пустоты, м.
Объём обрушенной на почву выработки породы
ρπ 23
12 3
1 ctglV = , (6)
где ρ – угол естественного откоса обрушенной породы, ко-
торый по данным [3] зависит, как от литологического состава
горной массы, её состояния (сухая, влажная, мокрая), так и вре-
мени залегания обрушенной массы на почве выработки. Его зна-
чения при этом варьируют от 15 до 40 градусов.
Таким образом, выражение (3) с учётом (4), (5) и (6) примет
вид
ρπρ 23
10
2
21
2
3
1)( ctglctgdhlldV −++= . (7)
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 4, 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 4, 2009
56
Необходимо отметить, что в выражении (3) коэффициент
при V3 будет определяться возможными схемами примыкания
свободного пространства, изображёнными на рис. 2 (табл. 1).
Таблица 1
Связь между количеством тампонажного материала и горно-
технической ситуацией
Схемы возможных примыканий
свободного пространства
(по рис. 2)
Количество необходимого
тампонажного материала
по выражению (3)
а) тупиковая часть протяжённой
выработки 231 VVVV −+=
б) линейная часть протяжённой
выработки 231 2 VVVV −+=
в) т-образные пересечения протя-
жённых выработок 231 3 VVVV −+=
г) пересечения двух протяжённых
выработок, в том числе при камер-
ной системе отработки
231 4 VVVV −+=
Ситуация осложняется с увеличением угла падения пород-
ной толщи, когда появляется возможность перетекания тампо-
нажного раствора в свободное пространство по падению. В этих
условиях трудно рассчитать объём необходимого тампонажного
материала, особенно при круто-наклонном и крутом залегании
пластов. Сам процесс провалообразования при этом имеет свои
характерные особенности [4], в связи с чем увеличивается веро-
ятность перерасхода тампонажного материала в несколько раз.
До последнего времени цементные растворы являлись един-
ственным тампонажным материалом, применяемым в этих усло-
виях, и нагнетаются только до начала их схватывания. Для необ-
ходимости ускорения твердения цементного раствора при выпол-
нении тампонажных работ применяют быстросхватывающиеся
цементы или добавляют к обычным цементам 3% хлористого
кальция от веса цемента. Такие растворы (с 3% добавкой) по
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 4, 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 4, 2009
57
сравнению с обычным имеют в 1,7 раза меньше сроки начала и
конца схватывания и более высокую прочность.
При цементации трещиноватых горных пород применяют
чистые цементные растворы, обеспечивающие лучшее качество,
наибольшую прочность и однородность цементного камня. Кон-
центрация чистых цементных растворов (цементно-водное отно-
шение) принимается в пределах от 1:2 до 1:4. При крупной тре-
щиноватости горных пород (свыше 5 мм) применяют цементы
грубого помола марки 300 или цементно-песчаные растворы на
обычном цементе. Для цементации трещиноватых пород подра-
ботанного массива максимальное давление тампонажного рас-
твора должно превышать гидростатическое давление (на 2-3 атм.
и выше) в месте расположения скважины.
Немаловажную роль на последующую устойчивость самого
тампонажного материала в массиве оказывают подземные воды.
В зависимости от агрессивности подземных вод применяют сле-
дующие виды цементов:
− при сульфатной агрессии – сульфатостойкие портландце-
менты и шлаковые цементы;
− при кислотной агрессии – глинозёмные цементы.
В тех случаях, когда отложения карбона перекрыты значи-
тельной толщей обводненных песков, гравелистым слоем, тре-
щиноватым мелом и другими водосодержащими породами, целе-
сообразно своевременно применять тампонирование водосодер-
жащих слоёв. Водосодержащие породы, дренируя воду, могут
привести к значительному снижению устойчивости горных пород
подработанной толщи, что способствует возможности возникно-
вения воронок обрушения. Так, на шахте «Степная» ПО «Павло-
градуголь» при перекреплении выработок по пл. c6
’, пройденных
у верхней границы безопасного ведения горных работ под плы-
вунами на глубине 27 м (по карбону) в зоне мелкоамплитудной
нарушенности, произошло обрушение пород кровли. Его размеры
по длине штрека составили 12 м, по высоте 7 м. Из обрушенного
пространства начала поступать вода с притоком 10 м3/ч. После
уборки породы произошло вторичное обрушение кровли свода до
высоты 12 м и увеличением завала штрека ещё на 7 м, вызвавшее
обрушение вышележащего угольного пласта c6 и пород его кров-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 4, 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 4, 2009
58
ли с увеличением максимального свода обрушения до 17 м и
длины вывала по оси штрека до 26 м. Общий объём обрушив-
шейся породы достиг 450 м3 с увеличением притока воды до
35 м3/ч. Поступающая вода размывала обрушившиеся горные по-
роды, вызывая их дальнейшее обрушение и создавая угрозу про-
рыва плывунов, мощность которых составляла 21 м. Обычно
применяемые меры (установка рам из двутавровых балок, приме-
нение деревянных шпал, возведение костровой крепи и т.п.) не
дали положительных результатов. Было принято решение произ-
вести тампонаж воронки обрушения. Для этого были сооружены
две бетонные перемычки, изолирующие горные выработки от
аварийного участка, и закачан цементный раствор. Состав рас-
твора (цемент, песок, вода) был принят в соответствии 1:1:1. Все-
го было закачано 615 м3 раствора.
Однако, как показал опыт, цемент не всегда удовлетворяет
современным требованиям, предъявляемым к тампонажным ра-
ботам, а тампонирование с целью гидроизоляции крупных тре-
щин и пустот цементным раствором не всегда достигало цели.
Усовершенствованием способа тампонирования горных пород
явилась разработка сложных глинисто-цементных растворов.
Результатами научно-исследовательских работ, выполнен-
ных ИГД им. Скочинского по тампонированию обводнённых
горных пород, было установлено, что высокая дисперсность гли-
ны позволяет растворам проникать в более мелкие трещины и
поры по сравнению с цементным. Глинисто-цементные растворы
особенно эффективны при тампонировании трещин с шириной
раскрытия от 0,1 мм и более. Глинисто-цементный камень менее
водопроводен, чем камень цементных растворов.
По данным ПО «Спецтампонажгеология» (СТГ) глинисто-
цементные растворы могут иметь следующее содержание состав-
ных компонентов: глина комковая 25-45 %, цемент – 8-10 %,
жидкое стекло 0,8-1,0 %, вода 45-65 %. Для тампонажных целей в
глинисто-цементных растворах применяются каолиновые глины
Дружковского месторождения (Донбасс). Используемые цементы
должны иметь марку не ниже «400». Цементно-глинистые рас-
творы для тампонажных работ используют преимущественно для
тампонажа пород на площадях без вторичной их подработки,
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 4, 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 4, 2009
59
вследствие неоднородности тампонажного камня и сравнительно
низкой его прочности.
Буровые и тампонажные растворы на самом деле являются
не растворами, а дисперсными системами и чаще суспензиями
глины или цемента в воде, свойства которых зависят от качества
исходных материалов, состава и технологии приготовления.
Большое влияние на свойства буровых и тампонажных растворов
оказывают добавки. Их влияние различно: одни изменяют вяз-
кость, другие — реологические свойства, третьи — структуру и
прочность и т. д. Большинство добавок влияет сразу на ряд
свойств, часто, улучшая одни, ухудшая другие. С изменением
концентрации добавок их влияние изменяется не только количе-
ственно, но иногда качественно.
СТГ разработаны и применяются новые, универсальные в
широком диапазоне гидрохимизма подземных вод глиноцемент-
ные тампонажные растворы, обладающие высокой проникающей
способностью, надежными водоизоляционными свойствами и
долговременной коррозионной устойчивостью. Растворы на 89 %
состоят из высокоплотного глинистого раствора, и на 11 % из це-
мента или отходов обогатительного производства и добавок
структурообразователей. Они позволяют экономить большое ко-
личество дефицитных дорогостоящих марок цемента.
В отличие от цементных, такие растворы не вымываются
подземными водами из крупных трещин и карстов, не осаждают-
ся, не твердеют в движении, быстро приобретают пластическую
прочность после прекращения движения, остаются пластичными,
не растрескиваются при взрывных работах и подвижках горных
пород. Свойства тампонажных растворов в широких пределах ре-
гулируют типами добавок вяжущих и структурообразователей.
Положительные качества этих растворов обеспечивают надеж-
ность водоизоляционных завес на протяжении всего срока служ-
бы тампонируемого объекта для условий пресных, термальных и
низкотемпературных вод, а также для агрессивных сред с хлор-
натриевой, сульфатной, магнезиальной и сульфатно-сероводородной
агрессией.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 4, 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 4, 2009
60
Выводы:
1. Ликвидация пустот старых горных выработок путём их
тампонирования остаётся на сегодняшний день наиболее эффек-
тивным и доступным способом предотвращения возможной ак-
тивизации процесса сдвижения.
2. Объём тампонажного материала, необходимого для лик-
видации пустоты, при пологом залегании толщи можно опреде-
лить из результатов бурения скважин на горизонт залегания ста-
рой выработки.
3. Состав применяемого бурового и тампонажного раствора
во многом определяется гидрогеологической и горнотехнической
ситуацией массива и в широких пределах регулируется вяжущи-
ми и структурообразующими добавками.
СПИСОК ССЫЛОК
1. Гавриленко Ю.Н., Юшков А.С. Пути повышения информа-
тивности бурения инженерно-геологических скважин на уча-
стках, подработанных горными выработками // Сборник на-
учных трудов ДонГТУ, Серия горно-геологическая. Вып. 11.-
Донецк: ДонГТУ, 2000. – С. 103-107.
2. Феофанов А.Н. Обоснование параметров учёта старых гор-
ных выработок на малой глубине для охраны поверхностных
объектов: Автореф. дис... канд. техн. наук. – Донецк, 2003.
3. Справочник горной промышленности. Горная энциклопе-
дия. – http://www.miningexpo.ru/useful/172.
4. Питаленко Е.И., Феофанов А.Н., Ермаков В.Н. Особенности
развития повреждений земной поверхности при крутом зале-
гании пластов // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. № 1.-
Донецьк. - 2007.- С. 146-157.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-15934 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1996-885X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:51:37Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Феофанов, А.Н. 2011-02-03T14:06:06Z 2011-02-03T14:06:06Z 2009 Ликвидация пустот старых горных выработок тампонированием / А.Н. Феофанов // Наукові праці УкрНДМІ НАН України — 2009. — № 4. — С. 50-60. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1996-885X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15934 550.822:622.838 Розглядається один із способів ліквідації порожнин старих гірничих виробок шляхом тампонування. Об'єм необхідного тампонажного матеріалу визначається за результатами буріння свердловин на горизонт залягання порожнини. Акцентується увага на використанні відповідних тампонажних розчинів, виходячи з гірничо-геологічних умов. One of the methods for elimination of old mine cavities by plugging is considered. The volume of necessary plugging material is determined by the results of borehole drilling down to the depth of the cavity. Attention is focused on the use of grouting mortars based on mining-geologic conditions. ru Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України Ликвидация пустот старых горных выработок тампонированием Article published earlier |
| spellingShingle | Ликвидация пустот старых горных выработок тампонированием Феофанов, А.Н. |
| title | Ликвидация пустот старых горных выработок тампонированием |
| title_full | Ликвидация пустот старых горных выработок тампонированием |
| title_fullStr | Ликвидация пустот старых горных выработок тампонированием |
| title_full_unstemmed | Ликвидация пустот старых горных выработок тампонированием |
| title_short | Ликвидация пустот старых горных выработок тампонированием |
| title_sort | ликвидация пустот старых горных выработок тампонированием |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15934 |
| work_keys_str_mv | AT feofanovan likvidaciâpustotstaryhgornyhvyrabotoktamponirovaniem |