Моделирование фильтрационных процессов в тампонажных завесах

СЕМИНАР 17

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© В.А. Хямяляйнен, В.М. Пампура, И.А. Поддубный, С.Л. Понасенко, 2001

УДК 622.527.002.56

В.А. Хямяляйнен, В.М. Пампура,

И.А. Поддубный, С.Л. Понасенко

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ТАМПОНАЖНЫХ ЗАВЕСАХ

В

практике ведения горных работ нашло достаточно широкое применение возведение тампонажных завес с целью создания вокруг выработок противофильтрационных оболочек и упрочнения массива горных пород. В последнее время вопросы теории и практики возведения тампо-нажных завес получили еще большую актуальность в связи с необходимостью закрытия и консервации угольных шахт. Консервация и погашение выработанных пространств осуществляется, как правило, путем их затопления, что создает угрозу внезапных прорывов воды в нижележащие действующие горизонты. Затопление выработанных пространств является также одним из способов ликвидации эндогенных подземных пожаров. При проведении и поддержании горных выработок в условиях обводненных и неустойчивых горных пород дренажных шахт возникает необходимость усиления крепи с одновременным дренированием высоконапорных подземных вод.

Изоляция выработок от внезапных прорывов воды осуществляется путем возведения в них бетонных водоупорных предохранительных перемычек. Одним из ос-

новных недостатков их работы является фильтрация воды через тело перемычки и, в большей степени, через окружающий массив горных пород.

В связи с вышеотмеченным расширением области применения тампонажных завес при возведении водоупорных перемычек и усилении крепи дренажных выработок особую актуальность приобретают вопросы специфики технологии их сооружения. Параметры тампонаж-ных завес и технологии их возведения в первую очередь определяются величинами остаточных водоприто-ков после инъекции массива горных пород. Поэтому ниже изложены математические модели фильтрации воды в тампонажных завесах, сооруженных в массивах горных пород вокруг водоупорных перемычек и дренажных выработок. При этом распределение коэффициента проницаемости k (г) незатампонированного массива при удалении от контура выработки принято экспоненциаль-

k (г) = -

к

0

ехр

х ехр(-

Ln(кo

Щ^(ко/ кы) - Щь

/кы),

-г),

- Щь

где к0 - коэффициент проницаемости незатампонированного массива на контуре выработки (г = Щь ) , м2; кN - коэффициент проницаемости ненарушенного массива.

Схема области фильтрации через тампонажную завесу вокруг водоупорной перемычки представлена на рис. 1. На схеме приняты следующие обозначения: L - длина области фильтрации, м;

X

сечение А - А

Рис. 1. Схема области фильтрации воды с продольным (а) и поперечным (б) сечением выработки:

1 - выработка; 2 - крепь выработки; 3 - двухступенчатая врубовая перемычка; 4 - закрепные пустоты; 5 - тампонажный слой в закрепных пустотах; 6 - противофильтрационная тампонажная завеса; 7 - незатампонированная фильтрующая порода;

8 - граница зоны влияния выработки(перехода к слабопроницаемому массиву); 9 - напорная вода

9

R

a)

б)

А - А / -і

II I I I Г

лхл/ XXЛ/ XX Л/ ^ ЛХЛ/1 _х

N

. - • ІГ7- Ї-?

О-Ц-О -°р

Л

Рис.2. Схема области фильтрации воды с поперечным (а) и продольным (б) сечением выработки: 1 - выработка; 2 - крепь выработки с закрепной тампонажной оболочкой; 3 - тампонажная завеса (упрочненный массив); 4 - дренажный слой; 5 - незатампонированный фильтрующий массив горных пород; 6 - граница зоны влияниявыработки (перехода к слабопроницаемому масиву);

7 - дренажный шпур; 8 - напорная вода

RN - радиус влияния выработки (радиус перехода к слабопроницаемому массиву), м; Яь - радиус выработки в проходке, м; £ - длина перемычки, м; коЬ - толщина за-крепного пространства, м; кт - толщина зоны тампонажа в районе перемычки, м; ку - толщина зоны инъекционного упрочнения пород на некотором удалении от перемычки, м; £^, £ р - длина участка упрочнения массива горных пород соответственно с безнапорной и напорной стороны, м; £у - длина участка тампонажа массива горных пород непосредственно вокруг перемычки, м; k(г) -распределение коэффициента проницаемости массива горных пород при удалении от контура выработки до тампонажа, м ; ^ - коэффициент проницаемости затам-понированного массива, м ; koЪ - коэффициент проницаемости тампонажной закрепной оболочки, м ; Рм - напорное давление, Па; р - угол наклона рассматриваемого продольного сечения области фильтрации.

В основу исследования фильтрации воды через массив горных пород в зоне водоупорной перемычки положено решение краевой задачи для распределения давления в области фильтрации, включающей в себя дифференциальное уравнение

1 д

ты следующие обозначения: Ь - длина участка

выработки с тампонажно -дренажной завесой, м; £ -расстояние между рядами дренажных шпуров, м;

- радиус выработки в проходке, м; ЯN - радиус влияния выработки (радиус границы перехода к слабопроницаемому массиву), м; £ ^ - длина дренажного

шпура, м; £ ^ - длина участка дренажного шпура в дренажном слое, м; ds -диаметр дренажного шпура, м; к( - толщина зоны тампонажной завесы, м; -толщина дренажного слоя, м; kd - коэффициент проницаемости дренажного слоя, м2. Остальные обозначения соответствуют рис. 1.

При оценке фильтрации воды через тампонажно -дренажную завесу и эффективности ее работы в общем случае задача сведена к определению распределения давления воды Р(г,р,х,/) как функции цилиндрических координат г,р, х и времени t из следующего дифференциального уравнения при соответствующих граничных условиях:

1 д_

г дг

дР

^ (г)-----------

дг

ч д2 Р k (г) д2 Р п* дР

+ k(г+^-т = РоуР -тг>

2 г2 дф д

дх

г дг

дР

г  k(г) —

дг

+ k

д 2 Р

дх

2

= 0

при соответствующих граничных условиях.

Специфика возведения тампонажной завесы вокруг дренажной выработки заключается в том, что затампони-рованный массив с одной стороны должен обеспечивать устойчивость массива, а с другой эффективный дренаж. Поэтому предлагается возводить так называемую тампонажно - дренажную завесу, предполагающую создание вокруг выработки в тампонажной завесе дренажных шпуров.

Схема области фильтрации воды через тампонажно -дренажную завесу представлена на рис. 2. На схеме приня-

где ро — плотность воды без давления, кг/м ; V — коэффициент кинематической вязкости воды, м2/с; Р - коэффициент сжимаемости воды, Па-1;

Поскольку решение трехмерной задачи в нестационарной постановке в общем виде не представляется возможным, ограничились решением ряда конкретных одномерных и двумерных задач по оценке водопритока через незатампонированный массив до создания дренажного слоя, водопритока через незатампонированный массив после создания дренажного слоя, водопритока через тампонажную завесу и дренажные шпуры. Часть построенных моделей была реализована численно с использованием МКЭ.

Анализ результатов выполненных расчетов показал, что на переток воды в основном оказывает влияние толщина тампонажной завесы. Причем наибольшее влияние наблюдается в диапазоне 0-7 м. Коэффициент проницаемости оказывает меньшее влияние. Тампонаж следует осуществлять при проницаемости на контуре выработки —12 2

kо > 0,5 -10 м . Количественная оценка влияния дренажных шпуров на переток воды через тампонажно -

дренажную завесу является предметом дальнейшей реа- лизации построенных фильтрационных моделей.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------------

с.н.с.,