Способ возведения искусственной опоры для упрочнения искусственного массива
METHOD FOR ERECTING AN ARTIFICIAL SUPPORT FOR STRENGTHENING AN ARTIFICIAL ARRAY

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземной разработке полезных ископаемых, для снижения оседаний налегающей толщи пород и потерь в междукамерных целиках при разработке полезных ископаемых камерно-целиковыми системами с гидрозакладкой выработанного пространства за счет упрочнения искусственного массива.
Прочность осушенных гидрозакладочных массивов и их боковых поверхностей должна выдерживать не только вертикальные нагрузки налегающих сверху пород, но и нормальные напряжения от воздействия взрывов при отработке междукамерных целиков. Из известных способов упрочнения закладочных массивов последнему требованию организации закладочных работ соответствует только полная твердеющая закладка камер (Комаров Е.И., Фурсов Е.Г., Комаров К.Е. ОРГАНИЗАЦИЯ ЗАКЛАДОЧНЫХ РАБОТ С БУРОНАБИВНЫМИ СВАЯМИ-СТОЙКАМИ ПРИ ПОДЭТАЖНО-КАМЕРНОЙ СИСТЕМЕ РАЗРАБОТКИ / Маркшейдерия и недропользование №3(71), май-июнь 2014 г., С. 67-70, стр. 68). Однако данный способ лишает возможности извлекать полезные компоненты, в частности металлы, из хвостов обогащения и безвозвратно исключает данные техногенные ресурсы из пользования. Например, благородные металлы, количество которых сравнимо с запасами золото-платино-металльного месторождения, являются основой техногенных месторождений из хвостов обогащения железных руд КМА. (В.И. Комащенко, П.В. Васильев, С.А. Масленников Технологиям подземной разработки месторождений кма - надежную сырьевую основу / Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 2, С. 101-114, стр. 105).
Использование искусственных опор для поддержания кровли в выработанном пространстве шахт и рудников позволит закладывать выработанное пространство отработанных камер гидравлической закладкой без ущерба для прочности искусственного массива, но с последующей возможностью при необходимости извлечения из отходов обогащения полезных компонентов.
Известен патент SU 635261, опубликован 30.11.1978, в котором описана опалубка для возведения искусственного целика из вертикально установленных телескопически раздвижных жестких цилиндров с боковыми вводным и выпускным патрубками для заполнения ее закладочным материалом. Недостатком описанной опалубки является большая металлоемкость конструкции, а также повышенный расход твердеющего раствора.
Известен патент RU 2395691, опубликован 27.07.2010, в котором описан способ упрочнения поверхностей гидрозакладочных массивов. Способ включает подачу закладочных материалов с различным содержанием вяжущих, отличающийся тем, что перед гидрозакладкой камеры до уровня вентиляционного орта мелкодисперсным материалом без вяжущих проходят на уровне бурового орта в междукамерных целиках по периметру отработанной камеры полуоткрытые выработки, в которых сооружают выступающую глухой частью в выработанное пространство деревянную крепь, и возводят в выпускных выработках дренажные перемычки, а после дренажа воды и усадки закладочного массива из сохраненной полуоткрытой выработки вдоль отрабатываемых целиков бурят ряд вертикальных и наклонных скважин на всю мощность закладочного массива, с поверхности которого в скважины опускают обсадные трубы и арматурные стержни, превышающие уровень закладочного массива, и только потом заполняют твердеющим раствором: сначала через скважины, - сохраненные полуоткрытые выработки, затем - сами скважины и в последнюю очередь - верхнюю часть камеры до ее потолочины. Недостатком данного способа являются неопределенность в величине прочности сформированного массива, большой расход дорогостоящей арматуры.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является известный по патенту RU 2521269, опубликованному 27.06.2014, способ возведения искусственных опор в выработанном пространстве камер. Способ осуществляют путем сооружения опалубки и заполнения ее твердеющим закладочным материалом. При этом опалубку в выработанном пространстве камеры возводят из отработавших автошин, которые укладывают в штабель от почвы до кровли выработки, последовательно скрепляя автошины между собой и заполняя породой, после чего на опалубку по контакту с кровлей укладывают уплотнительное покрытие и через отверстие в нем подают твердеющий раствор, после схватывания которого камеру изолируют от сопредельных выработок перемычками и заполняют гидравлической закладкой. Недостатком являются ограниченный контакт упрочняющего раствора из-за конструктивной особенности элементов несъемной опалубки, отсутствие направляющих систем для элементов опалубки, отсутствие закрепления опорной (несущей) колонны между почвой и кровлей камеры и неопределенность в величине прочности искусственной опоры.
Технической задачей предлагаемого технического решения является разработка способа возведения искусственной опоры для упрочнения искусственного массива высокой прочности с обеспечением вертикального положения опор и закрепления их между почвой и кровлей камеры.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является разработка способа возведения искусственной опоры для упрочнения искусственного массива.
3
3
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что предложен способ возведения искусственной опоры путем сооружения опалубки из отработанных автошин, которые укладывают в штабель от почвы до кровли выработки, последовательно скрепляя между собой соединительными скобами, и заполняют ее упрочняющим раствором. После схватывания раствора камеру изолируют от сопредельных выработок перемычками и заполняют гидравлической закладкой. До сооружения опалубки заранее подготавливают основание с выпусками армировки в виде арматурных стержней из стекловолокна в качестве направляющих элементов, на которые последовательно нанизывают отработанные автошины через прорезанные по их окружности сквозные отверстия, до подведения которых под кровлю камеры выполняют технологические отверстия в потолочине камеры, закрепляют в них стержни, после чего устанавливают заключительную разрезанную по диаметру на две равные составные части и с вырезанным профилем по окружности автошину. В местах стыков составных частей автошины производят крепление соединительными скобами. В области крепления протектора заключительной автошины обустраивают технологическое отверстие, через которое при помощи транспортировочного рукава производят нагнетание упрочняющего раствора, в качестве которого применяют химический раствор, при следующем соотношении компонентов, масс. %: карбамидная смола, плотностью 1,257 г/см - 77,7-95,4; изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид, плотностью 1,203 г/см - 4,6-22,3, известный по патенту RU №27 69007, опубликованному 28.03.2022.
Осуществление представленного способа отображено на фигурах 1, 2.
При этом на фигуре 1 отображена искусственная опора, являющаяся несущей колонной, заполненная упрочняющим раствором с приведенной схемой армирования искусственной опоры, где в качестве обозначении 1 - отработанные автошины, 2 - арматурные стержни из стекловолокна, 3 - упрочняющий раствор, 4 - соединительные скобы, 5 - сквозные отверстия, 6 - зоны, в которых не контактирует упрочняющий раствор.
На фигуре 2 изображена схема подачи упрочняющего раствора в полости опор и схема соединения заключительной автошины, где качестве обозначений 1 - отработанные автошины, 2 - арматурные стержни из стекловолокна, 3 - упрочняющий раствор, 4 соединительные скобы, 6 - зоны, в которых не контактирует упрочняющий раствор, 7 - транспортировочный рукав, 8 - места стыков, 9 - технологическое отверстие.
Способ возведения искусственной опоры осуществляют следующим образом:
Опалубку возводят из отработанных автошин 1 карьерных самосвалов. Использовать возможно любые автошины, в качестве примера предлагаются автошины 21.00-35 Бел-51А не 36 (https://belghina.su/catalog/shiny_dlya_stroitelnykh_dorozhnykh_i_podemnykh_mashin/21_00_35_bel_51a_na_36_bshk/). Данные автошины получили широкое применение на большегрузных карьерных самосвалах марки Белаз, а также их зарубежных аналогах общей грузоподьемностью до 50 т. Выбор обусловлен несколькими факторами:
- широкая распространенность на технике и соответственно в дальнейшем недефицитность при использовании на данных работах;
- удобные геометрические параметры: диаметр покрышки 2004 мм, в изношенном состоянии чуть менее 2000 мм; ширина профиля - 571 мм, высота профиля - 557,5 мм; внутренний (посадочный) диаметр составляет 889 мм, что соответствует 35 диску; относительно небольшой вес 523,21 кг.
До возведения искусственной опоры в выработанном пространстве отработанной камеры заранее подготавливают и выравнивают основание с выпусками армировки в виде арматурных стержней из стекловолокна 2.
В зонах, в которых не контактирует упрочняющий раствор 6, упрочняющий раствор 3, залитый в автошины 1 между собой не контактирует, что обуславливается конструктивной особенностью элементов несъемной опалубки.
Для устранения недостаточного контакта упрочняющего раствора 3 в отработанных автошинах 1 прорезают кольцевыми пилами по их окружности сквозные отверстия 5, которые в свою очередь обеспечат вертикальное сообщение для упрочняющего раствора 3 и армирование материалами на основе стекловолокна 2.
Армирование материалами на основе стекловолокна в сравнении с металлом не подвержено влиянию агрессивных сред горных пород и подземных вод на коррозионную стойкость, этот материал диэлектричен, отличается низким коэффициентом тепловодности, малым весом, не токсичен, по степени воздействия на организм человека и окружающую среду относится к четвертому малотоксичному классу опасности. Как следствие, в общем более устойчив и долговечен. Помимо этого, если проводить сравнение армирования из материалов на основе металла и стекловолокна по таблице соответствий, то при выборе изделий на основе стекловолокна при сохранении прочностных параметров возможно использование меньших диаметров. Например, 12 мм арматурный стержень из стекловолокна соответствует прочностным параметрам 16 мм из металла, при этом сохраняя преимущество в низкой цене и меньшем весе, что в свою очередь упростит логистику и положительно скажется на общей себестоимости инженерного сооружения https://myslide.ru/presentation/skachat-ucrlerodnoe-volokno-v-stroitelstve.
На арматурные стержни из стекловолокна 2 нанизывают отработанные автошины 1, последовательно скрепляя их скобами 4, наращивают при этом общую высоту блока. Изначально, предлагают закладывать девять рядов, что соответствует высоте до пяти метров. Это обуславливается тем, что работы по возведению первого блока, играющего роль «цокольного элемента», удобнее выполнять в пределах вышеуказанной высоты, исходя из соображений специфики проведения работ и особенностей упрочняющего раствора. После формирования блока через верх опоры по транспортировочному рукаву 7 производят насосом нагнетание упрочняющего раствора из емкости в подготовленные элементы первого блока опоры, оставляют при этом выпуски армирования для скрепления с последующими блоками. И так далее.
3
3
До подведения опоры под кровлю камеры выполняют технологические отверстия в потолочине камеры, закрепляют в них стержни, после чего устанавливают заключительную разрезанную по диаметру на две равные составные части и с вырезанным профилем по окружности отработанную автошину. В местах стыков 8 составных частей отработанной автошины 1 производят крепление соединительными скобами 4. В области крепления протектора заключительной автошины обустраивают технологическое отверстие 9, через которое насосом производят нагнетание упрочняющего раствора, в качестве которого применяют химический раствор при следующем соотношении компонентов, масс. %: карбамидная смола, плотностью 1,257 г/см - 77,7-95,4%; изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид, плотностью 1,203 г/см - 4,6-22,3%.
3
Применяемая в предлагаемом составе карбамидная смола марки КФ-МТ-15 соответствует ТУ 6-06-12-88, представляет собой однородную суспензию от белого до светло желтого цвета без механических включений с плотностью 1,257 г/см, с массовыми долями сухого остатка 66,5% и свободного формальдегида 0,13%.
3
Изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид (ТУ 6-10-124-91) представляет собой маслянистую жидкость плотностью 1,203 г/см, общее кислотное число мг КОН/г вещества 655%.
Приготовление состава осуществляют следующим образом: изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид добавляют к карбамидной смоле.
В результате после схватывания раствора в выработанном пространстве камеры образуется искусственная опора, представляющая собой несущую колонну, обладающая высокой несущей способностью при нагрузках, создаваемых налегающей толщей пород, за счет высокой прочности с обеспечением вертикального ее положения опор и закрепления их между почвой и кровлей камеры. После схватывания упрочняющего раствора камеру изолируют от сопредельных выработок перемычками и заполняют гидравлической закладкой.
3
3
Для проверки прочности искусственной опоры были изготовлены образцы, которые готовили смешиванием карбамидной смолы марки КФ-МТ-15 (ТУ 6-06-12-88) плотностью 1,257 г/см и изо-метилтетрагидрофталевого ангидрида (ТУ 6-10-124-91) плотностью 1,203 г/см при следующем соотношении компонентов, масс. %: карбамидная 11,1-95,4% и изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид 4,6-22,3%, При приготовлении раствора ангидрид добавляли к карбамидной смоле.
По истечении 30 суток, 60 и 120 суток образцы 70X70X70 мм были испытаны на прочность при сжатии на гидравлическом прессе ПГМ-1000МГ4
Результаты испытаний приведены в таблице 1.