Способ крепления горных выработок

Изобретение относится к горному делу, в частности к креплению и упрочнению горных пород. Способ включает в себя бурение нагнетательных и дренажных скважин, закрепление в их донной части анкеров с опорными элементами, а после смещения пород нанесение изолирующего покрытия на поверхность выработки и поскважинное нагнетание вяжущего раствора в породы через нагнетательные скважины для создания вокруг выработки породобетонной оболочки. После получасового поддержания максимального давления нагнетания вяжущего раствора в нагнетательных скважинах с прекратившимся растворопоглощением сразу производят порядное нагружение анкеров в направлении от забоя выработки. При этом возможно применение анкеров, закрепляемых сыпучим минеральным заполнителем без установки подпорной шайбы. При закреплении анкеров в дренажных скважинах их заполняют сыпучим минеральным заполнителем на полную длину с подпором устья фильтрующим материалом, а при закреплении анкеров в нагнетательных скважинах их заполняют только на минимально необходимую для равнопрочного закрепления длину минеральным заполнителем, которую у всех анкеров располагают за контуром устойчивой части массива. Изобретение позволяет повысить эффективность упрочнения горных пород. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к горному делу, в частности к креплению и упрочнению горных пород.

Известен способ упрочнения горных пород, включающий бурение цементационных скважин и нагнетание в них цементационного раствора. Вокруг каждой цементационной создают дренажные скважины. Дренажные скважины заполняют материалом, способным фильтровать жидкую фазу [1].

Недостатком данного способа является то, что используемые для инъекционного упрочнения жидкие цементационные растворы распределяются по длине трещин с неравномерной упаковкой частиц и с остаточным количеством отделившейся жидкой фазы, которую невозможно полностью дренировать только лишь за счет давления нагнетания самого цементационного раствора, тем самым снижается эффективность упрочнения горных пород.

Известен способ крепления горных выработок, включающий бурение скважин, закрепление в их донной части анкеров с опорными элементами, а после смещения пород нанесение изолирующего покрытия на поверхность выработки и поскважинное нагнетание вяжущего раствора в породы для создания вокруг выработки породобетонной оболочки [2].

Недостатками данного способа является то, что трещины и расслоения пород частично остаются незаполнены нагнетаемым вяжущим раствором, так как нагружение анкерной крепи производят только после его 100% набора прочности. Отсутствие опорных элементов на анкерах во время нагнетания вяжущего раствора не сдерживает процесс расслоения и образования дополнительных трещин разрыва. Дальнейшее расслоение продолжается под действием остаточного давления и созданного им объемного внутреннего напряжения пород. Таким образом, снижается эффективность упрочнения горных пород.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности упрочнения горных пород.

Указанная цель достигается тем, что в способе крепления горных выработок, включающем бурение нагнетательных скважин, закрепление в их донной части анкеров с опорными элементами, а после смещения пород нанесение изолирующего покрытия на поверхность выработки и поскважинное нагнетание вяжущего раствора в породы для создания вокруг выработки породобетонной оболочки, до начала поскважинного нагнетания вяжущего раствора в нагнетательные скважины дополнительно создают сетку дренажных скважин, в донной части которых устанавливают и закрепляют анкера, нагружение анкеров, расположенных в нагнетательных и дренажных скважинах, производят порядно в направлении от забоя выработки сразу после получасового поддержания максимального давления нагнетания вяжущего раствора в нагнетательных скважинах с прекратившимся растворопоглощением.

Кроме того, особенность способа заключается в том, что анкера закрепляют сыпучим минеральным заполнителем без установки подпорной шайбы, причем при закреплении анкеров в дренажных скважинах их заполняют сыпучим минеральным заполнителем на полную длину с подпором устья фильтрующим материалом, а при закреплении анкеров в нагнетательных скважинах их заполняют только на минимально необходимую для равнопрочного закрепления длину втулки минерального заполнителя, которую у всех анкеров располагают за контуром устойчивой части массива.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показана схема закрепления анкеров в скважинах; на фиг.2 показана схема нагнетания вяжущего раствора в породы приконтурной зоны горной выработки; на фиг.3 показана схема крепления горной выработки.

Способ осуществляют следующим образом.

По известным методикам и рекомендациям в зависимости от различных условий проведения горной выработки рассчитывают паспорт крепления, в котором определены схема расположения анкерной крепи, например симметричная веерная, с количеством анкеров в ряду 7 шт., плотность установки анкерной крепи, например 1 шт. на 1 м² поверхности выработки, длина анкеров, например 2,4 м при высоте контура устойчивой части массива 1,9 м, величина (осевого предварительного) нагружения анкерной крепи, например 6 тонн, ограниченная физико-механическими характеристиками металла анкера, тип вяжущего раствора, например цементного, обеспечивающего необходимую прочность на сжатие образцов получаемого породобетона, например 15 МПа, изолирующее покрытие, например набрызгбетон толщиной 3-5 см, а также стандартные опорные элементы анкерной крепи и сетчатая затяжка.

Массив горных пород пересечен трещинами разрыва и расслоения 1. Вслед за подвиганием забоя производят бурение нагнетательных 2 и дренажных 3 скважин, располагаемых относительно друг друга в шахматном порядке с равномерным распределением по площади поверхности выработки. Скважины вскрывают трещины и расслоения массива, образуя единую систему. В нагнетательные 2 и дренажные 3 скважины устанавливают анкера 4, которые закрепляют в донной части сыпучим минеральным заполнителем 5 без подпорной шайбы. Промышленное применение данного типа крепи возможно, например, при использовании специальной установки механизации процесса закрепления анкеров сыпучими материалами - УЗА СМ [3]. В качестве сыпучего минерального заполнителя используется, например, кварцевый песок с фракцией частиц до 2 мм, обладающий к тому же фильтрационными свойствами для цементов. В нагнетательных скважинах 2 кольцевой зазор между стенкой скважины и анкером 4 заполняют кварцевым песком под головкой анкера 7 только на минимально необходимую для равнопрочного закрепления длину втулки - для скважин ⊘ 32 мм составляет около 50 см. В дренажных скважинах 3 кольцевой зазор заполняют кварцевым песком на их полную длину и подпирают устье фильтрующим материалом 8, например паклей.

Устье дренажных 3 и нагнетательных 2 скважин закрепляют плотно вставленным перфорированным патрубком 6 с резьбовым наружным концом. Перфорированный патрубок 6 длиной 300 мм забивают в скважину, оставляя наружный конец длиной 6-7 см. На резьбовой наружный конец перфорированного патрубка 6 дренажных скважин 3 навинчивают перфорированную крышку 9 с осевым отверстием под хвостовик анкера 4. Поверхность горной выработки перекрывают стандартной сетчатой затяжкой 10, которую поджимают опорными элементами 11 и гайками, установленными на хвостовиках анкеров дренажных скважин 3. После смещения контура горной выработки, выбирающего заданную конструктивную податливость анкерной крепи, известными способами производят нанесение изолирующего набрызгбетонного покрытия 12 на поверхность контура выработки. При необходимости могут быть обоснованно использованы различные типы покрытий и оболочек. После процесса схватывания материала изолирующего покрытия 12 производят известными способами поскважинное нагнетание вяжущего раствора в породы через инъектор 13, присоединяемый на резьбе к наружному концу перфорированного патрубка 6 нагнетательной скважины 2. После получасового поддержания максимального давления нагнетания вяжущего раствора в нагнетательных скважинах 2 с прекратившимся растворопоглощением инъекторы 13 демонтируют, а на хвостовики анкеров 4 устанавливают опорные элементы 11 и гайки. Далее, без технологических перерывов, сразу производят нагружение анкеров 4, расположенных в нагнетательных 2 и дренажных 3 скважинах. Анкера 4 нагружают порядно до рабочей нагрузки, определенной паспортом крепления, в направлении от забоя выработки. Излишне выступающий наружный конец перфорированного патрубка 6 при нагружении анкера 4 гайкой через опорный элемент 11 довдавливается в скважину.

Процесс упрочнения горных пород и крепления горной выработки начинают с бурения скважин по определенной паспортом крепления схеме (сетке). Располагают скважины относительно друг друга в шахматном порядке с равномерным распределением по площади поверхности выработки. Скважины вскрывают трещины и расслоения массива, образуя единую систему каналов и полостей. При закреплении анкеров в скважинах часть из них используют как дренажные и заполняют их сыпучим минеральным заполнителем на полную длину с подпором устья фильтрующим материалом, а при закреплении анкеров в нагнетательных скважинах их заполняют только на минимально необходимую для равнопрочного закрепления длину втулки минерального заполнителя. При этом дренажные скважины чередуются с нагнетательными.

При нагнетании вяжущего раствора в нагнетательные скважины в какой-то момент времени наступает прекращение растворопоглощения скважины и окружающих ее горных пород. Последующая выдержка нагнетательных скважин под максимальным давлением нагнетания вяжущего раствора позволяет произвести более плотную упаковку частиц, отжать часть жидкой фазы вяжущего раствора, которая при преодолении гидравлического сопротивления дренажных скважин дренирует в выработку. Но данный процесс происходит только лишь под действием давления нагнетания, при котором рост плотности частиц вяжущего раствора имеет предел и далее не зависит от роста давления нагнетания. Время выдержки под давлением ограничено временем схватывания вяжущего раствора в трещинах и расслоениях и для цементных растворов составляет не более 30 минут. В дальнейшем, без технологических перерывов, сразу производят порядное нагружение анкеров, расположенных в нагнетательных и дренажных скважинах, в направлении от забоя выработки, что позволяет произвести более эффективную сшивку и сжатие как под прессом упрочняемых пород приконтурной зоны закрепляемой горной выработки с одновременным их поджатием к устойчивой части массива. Максимально допустимая величина нагружения анкерной крепи ограниченна пределом прочности металла анкера и фактически равна рабочей нагрузке. При этом большая величина нагружения анкерной крепи позволяет реализовать более активное принудительное сближение плоскостей трещин и расслоений. Вяжущий раствор, не имея другого выхода, дополнительно проникает в незаполненные трещины и поры, а избыточная отжимаемая жидкая фаза (фильтрат) вяжущего раствора начинает истекать в выработку. Порядное, в направлении от забоя выработки (в сторону ранее упрочненных горных пород), нагружение анкерных крепей создает эффект волнового распространения вяжущего раствора по трещинам и расслоениям, запирая его в тупиковых зонах, что повышает эффект отжатия жидкой фазы и качество заполнения пустот. Как следствие, еще более повышаются качество и плотность упаковки частиц вяжущего раствора, его прочностные и адгезионные характеристики, площадь контакта с породами. Таким образом, в итоге повышается эффективность упрочнения горных пород вокруг выработки.

Применение анкеров с активным радиальным распором на стенки скважин позволяет реализовать объемное сжатие закрепляемых горных пород и еще более повысить эффективность упрочнения горных пород вокруг выработки. К одному из данных видов крепей относятся анкерные крепи, закрепляемые сыпучим минеральным заполнителем (например, кварцевым песком) [4]. Расположение закрепляемой части анкера (минимально необходимой для равнопрочного закрепления анкера длины втулки минерального заполнителя) за контуром устойчивой части массива позволяет не только "сшить" слои горных пород, но и поджать их к устойчивой части массива. Сыпучий минеральный заполнитель кроме функции закрепления анкера выполняет функцию фильтрующего материала.

Заявляемый способ позволяет повысить эффективность упрочнения горных пород и достичь максимальной консолидации массива при формировании несущей, армированной анкерами упрочненной породобетонной оболочки, обеспечивающей надежность и стабильную устойчивость горной выработки во времени.

Источники информации

1. SU 768990 А1, опубл.07.10.1980 г., бюл.37 (аналог).

2. SU 1642035 А1, опубл.15.04.1991 г., бюл.14 (прототип).

3. RU 2166634 С2, опубл.10.05.2001 г.

4. RU 2166635 С2, опубл.10.05.2001 г.

5. Хямяляйнен В.А., Бурков Ю.В., Сыркин П.С. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок. - М.: Недра, 1994. - 400 с: ил.

1. Способ крепления горных выработок, включающий бурение нагнетательных скважин, закрепление в их донной части анкеров с опорными элементами, а после смещения пород нанесение изолирующего покрытия на поверхность выработки и поскважинное нагнетание вяжущего раствора в породы для создания вокруг выработки породобетонной оболочки, отличающийся тем, что до начала поскважинного нагнетания вяжущего раствора в нагнетательные скважины дополнительно создают сетку дренажных скважин, в донной части которых устанавливают и закрепляют анкера, нагружение анкеров, расположенных в нагнетательных и дренажных скважинах производят порядно, в направлении от забоя выработки сразу после получасового поддержания максимального давления нагнетания вяжущего раствора в нагнетательных скважинах с прекратившимся растворопоглощением.

2. Способ крепления горных выработок по п.1, отличающийся тем, что анкера закрепляют сыпучим минеральным заполнителем без установки подпорной шайбы, причем при закреплении анкеров в дренажных скважинах их заполняют сыпучим минеральным заполнителем на полную длину с подпором устья фильтрующим материалом, а при закреплении анкеров в нагнетательных скважинах их заполняют только на минимально необходимую для равнопрочного закрепления длину минеральным заполнителем, которую у всех анкеров располагают за контуром устойчивой части массива.