» » Упрочнение породных массивов

Упрочнение породных массивов

08.08.2016

Упрочнение массивов руд и вмещающих пород применяют для того, чтобы отказаться от закладки и крепления очистного пространства и крепления подготовительно-нарезных выработок.
Имеются следующие способы упрочнения: штангами обычного типа; нагнетанием твердеющих растворов; тросовыми штангами; тросовыми вантами; взрывными штангами.
Упрочнение пород твердеющими растворами. Раствор нагнетается в массив через шпуры или скважины. Способы упрочнения и гидроизоляции:
- смолоинъекционный — растворами на основе полимерных смол;
- битумизация — горячим битумом с целью гидроизоляции грунтов;
- глинизация — глинистыми растворами для закупорки и гидроизоляции трещин глиной при малых скоростях фильтрации подземных вод;
- силикатизация - растворами жидкого стекла с отвердителем; в песчаниках получается прочный водонепроницаемый слой;
- цементация.
Для упрочнения рудного массива и вмещающих пород наиболее подходит смолоинъекционное упрочнение.
Полимерные материалы, такие как карбамидные смолы, при меняются для упрочнения массива и борьбы с выбросами газа в угольных шахтах, укрепления оснований гидроплотин и других инженерных сооружений; полиуретановые смолы — для создания сталеполимерных штанг; эпоксидные смолы, высокотоксичные, используются для упрочнения пород только за рубежом; полиэфирные — для упрочнения пород с поверхности (так как они также токсичны).
Упрочняют обычно породы с коэффициентом крепости 6 и выше. Раствор просачивается в мельчайшие поры, трещины, полости; при отвердении раствора стенки трещин и пор склеиваются между собой полимером. Сомнительна и не проверена возможность упрочнения глин и пород с заиленными трещинами.
Технология смолоинъекционного упрочнения крепких трещиноватых горных пород с использованием карбамидных смол разработана в Московском горном институте и внедряется на рудниках черной и цветной металлургии.
В массив через шпуры или скважины нагнетается под высоким давлением раствор, заполняющий трещины с шириной раскрытия более 0,01 мм и имеющий после отвердения высокую собственную прочность и прочность сцепления с породами.
Упрочняющие растворы на основе карбамидных смол получили распространение благодаря сравнительно низкой стоимости — 120-250 руб/т (в 20 раз и более дешевле полиуретановых смол) и малой токсичности.
Смолы КФ-Б, КФ-Ж, КФ-МТ, КФ-БЖ внешне — сиропообразные жидкости молочного цвета, состоят из полимера (66-67 %), растворенного в воде, плотность 1,22-1,25 т/м3. Токсичное вещество — формальдегид они содержат в допустимых концентрациях, т. е. ниже 1,5 %,
В качестве отвердителя берется 8-10-процентный (предельно насыщенный) водный раствор щавелевой кислоты. В сравнении с другими кислотами она безопаснее в обращении, менее активна в реакции с горными породами; отверденные ею смолы меньше подвержены растрескиванию в связи с низкой (4-6 %) усадкой.
Раствор, введенный в массив, через несколько минут превращается в твердый материал, нерастворимый в воде и неплавкий при сравнительно высоких температурах. 70 % полной прочности сцепления с массивом материал приобретает в первые же часы, полную — через 1-3 сут.
В зависимости от времени производства упрочнения по отношению к образованию выработки различают две схемы упрочнения: последующего и опережающего.
В зависимости от места смешения компонентов различаются схемы нагнетания:
1) однорастворная — компоненты (смола и водный раствор отвердителя) смешиваются перед поступлением в насос;
2) смешанная — компоненты смешиваются после выхода из насоса;
3) двухрастворная — компоненты подают в породный массив по отдельности последовательно. Применяется в основном для работ с поверхности по тампонажу и водоподавлению.
Смешанная схема позволяет иметь время гелеобразования от 3-5 мин до нескольких часов за счет регулирования соотношения компонентов раствора. Быстрое отвердение позволяет образовывать в шпурах штанги из отверденного полимера и упрочнять карбонатные и другие химически активные горные породы, которые поглощают кислоту из раствора, использовать насосы любой производительности. Однорастворная схема требует большого времени гелеобразования, а это условие зачастую неприемлемо.
При смешанной схеме технологии последующего упрочнения следующая.
Пробуривают шпуры глубиной по 1,5-2,0 м и диаметром 40-42 мм на расстоянии 1,5-2,0 м один от другого в соответствии с радиусом распространения раствора, равным 2,0-2,5 м, и продувают шпуры сжатым воздухом.
Насосы регулируют так, чтобы обеспечить требуемое соотношение компонентов упрочняющего раствора.
Смеситель-инъектор вводится в шпур на 0,6-0,8 м и после включения установки автоматически раскрепляется в шнуре. Начинается нагнетание и продолжается до выделения раствора из трещин.
Рабочее давление при нагнетании в крепкие трещиноватые породы составляет 10-20 МПа, а при слабой связи по трещинам — 3-6 МПа, чтобы не было гидроразрыва склеенных ранее трещин.
Опережающее упрочнение целесообразно при сильно трещиноватых массивах горных пород, в местах геологических нарушений и т. п., где в ином случае потребовались бы сложное крепление или специальные способы проходки.
Нагнетают раствор в шпуры или скважины, пробуренные из забоя выработки. Длина скважин — 8-10 м (на 3-4 проходческих цикла), диаметр — минимальный по имеющемуся оборудованию. Угол наклона скважин к оси выработки (4-10°) определяется исходя из необходимой толщины упрочненной зоны вокруг выработки.
Порядок работ по нагнетанию такой же, что и при последующем упрочнении.
Химически активные горные породы — основания, соли, окислы — распространены в рудных месторождениях. Чаще — это соли кальция (поэтому общее их название — карбонатные породы), содержание в них свободных ионов водорода pH = 8-14, что показывает их щелочную осноау. Щавелевая кислота сразу после нагнетания вступает в химическую реакцию с породами, поэтому необходимо увеличить содержание кислоты в растворе на 3-6 % и более,
В результате смолоинъекционного упрочнения массив горных пород приобретает свойства монолитной породной конструкции.
На шахтах НГМК и ПО «Сибруда» выработки в основаниях блоков закрепляют металлом и их приходится перекреплять через 3-4 месяца. При смолоинъекционном упрочнении за этот период происходят лишь частичные разрушения, требующие повторного смолоинъекционного упрочнения, в итоге расходы по поддержанию выработок сокращаются на половину.
Смолоинъекция может быть применена также для упрочнения боков месторождения, кровли очистных выработок и т. п.
Стоимость смолоинъекций 2-4 руб/м2 поверхности упрочненного массива.
Упрочнение пород тросовыми штангами. Применено на рудниках США, Австралии, Финляндии для упрочнения массивов вмещающих пород и руд. В трещиноватом массиве пробуривают поперек доминирующей системы трещин скважины, заводят в скважину трос и заполняют цементом. Тросы используются с истекшим сроком годности от подъемных установок, лебедок и т. п. Несущая способность тросовой штанги при диаметре троса 32 мм около 50 т. Тросы устанавливают обычно без предварительного натяжения, так как по имеющемуся опыту оно не дает существенного эффекта, а технология возведения усложняется.
На финских рудниках «Оутокумпу» глубина скважин 10-50 м, диаметр 51-64 мм, расстояние между торцами скважин веера 5-7 м. Веера бурят из полевых или рудных подэтажных штреков. Если упрочняют только вмещающие породы, то в рудной части скважин трос не размещают. Заводят трос в скважину вручную, разрабатываются средства механизации. В цементном растворе соотношение воды и цемента 2:5.
Вместо цементного раствора может быть использован раствор на основе карбомидных смол, инъекция которого обеспечит упрочнение цилиндра пород вокруг скважины; в результате получаются как бы трососмоляные штанги.
Упрочнение пород взрывными штангами применено в России на угольных шахтах, конструкция штанг разработана в ИГД им. А.А. Скочинского. Упрочняют кровлю и стенки выработок в известняках и углистых сланцах взамен крепления.
В шпуры длиной 3 м диаметром 44-47 мм вводят трубы диаметром 38 мм с толщиной стенок 3,5-5 мм и взрывают в них ДШ, помещенный в песке, или угленит. Взрывом труба распирается в шпуре, сцепление с массивом составляет около 50 даН/см2, прочность трубы на растяжение 150-200 кН (против 80 кН для стальной штанги диаметром 18 мм), выдерживающие усилие 500 кН. При расположении штанг по сетке 1,3х1,3 м каждый метр штанги, заделанный в прочную породу может выдержать 3 м подвешенного на нее слоя неустойчивых пород.
Взрывными штангами можно предварительно упрочнять вмещающие породы через рудный массив, т. е, через пробуренные в нем взрывные скважины. При смолоинъекционном упрочнении неустойчивого нижнего слоя пород взрывные штанги как бы подвесят его к более прочным породам.
Упрочнение пород тросовыми вантами применено в США. Вант проходит вдоль обнаженной поверхности и поддерживает породы извне. Посредине ванта устанавливаются подкладки, обычно деревянные, как для податливости, так и для увеличения прогиба троса, что уменьшает растягивающее усилие до приемлемой величины. Возможно проложение ванта по скважине, пробуренной в поддерживаемом массиве или вдоль будущей обнаженной его поверхности.