Новые способы цементационного упрочнения горных пород

УДК 622.2

В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров

НОВЫЕ СПОСОБЫ ЦЕМЕНТАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Предложены варианты повышения эффективности цементационного упрочнения на основе технологий комбинированного крепления горных выработок, консолидирующих нарушенный массив горных пород при его напряженном армировании анкерной крепью. Рассмотрены процессы, происходящие при инъекционной цементации трещин (упрочнении) массива с учетом отфильтровывания «излишней» жидкой фазы раствора через дренажные скважины.

Ключевые слова: цементационное упрочнение, анкер, крепление, консолидация, горная выработка, массив, раствор, отфильтровывание.

Семинар 19

У'"'* овременные тенденции развития угольной промышленности Кузбасса направлены на повышение интенсивности угледобычи. В условиях увеличивающейся нагрузки на очистные забои и повышении темпов проходки особо остро встают вопросы надежности и безопасности при проведении и эксплуатации горных выработок. При этом ключевым моментом является разработка и внедрение прогрессивных облегченных видов крепления, обеспечивающих необходимую надежность и безопасность в сложных горногеологических и горно-технических условиях.

В указанных условиях актуальны технологии крепления горных выработок, основанные на примене-нии облегченных конструкций крепей с последующим упрочнением нарушенных пород после развития зон интенсивной трещиноватости. Сфор-мированная оболочка в своей работе использует несущую способность массива, воспринимая значительные нагрузки при низкой материалоемкости крепления

[1-4].

Перспективным в данном направлении является развитие системы консолидирующего крепления горных выработок, характеризуемой как совокупность взаимовлияющих элементов «конструкция крепи», «упрочненная приконтурная зона», «массив», создание и взаимодействие которых позволяет изменять физико-механические характеристики нарушенных пород приконтурной зоны и эффективно управлять состоянием массива. При этом обеспечивается необходимая надежность и стабильная устойчивость контура. Подобные системы крепления активно стабилизируют взаимные смещения и вращения отдельностей, повышают сдвиговую прочность нарушенных горных пород.

В настоящее время у нас в стране и за рубежом разработано значительное количество составов для инъекционного упрочнения трещиноватых нарушенных горных пород. На рынок Кузбасса, например, активно продвигается продукция компании «Minova СагЬоТесЬ> GmbH (Германия) для химического упрочнения массива. При всех положи-

тельных показателях, основным сдерживающим фактором для широкого применения является цена на продукцию.

При учете экологического аспекта и необходимости применения материалов с более низкой стоимостью альтернативой являются составы на основе цемента, главным недостатком при применении которых является нестабильное качество цементации в массиве. По мере удаления цементного раствора от места инъектирования происходит приращение суммарного сопротивления движению как по длине инъектируе-мой трещины, так и вдоль оси скважины за счет кольматации и седиментации частиц цемента, сопровождаемых взаимоналожением потоков фильтрата из трещин более удаленных уровней. Также, наличие жидкой фазы в растворе способствует размоканию пород, снижая их временную прочность и несущую способность, эффективность упрочнения. Если для устранения указанных недостатков исключить из рассмотрения необходимость введения специальных химических добавок, целесообразно максимально полно реализовать потенциал растворов цемента за счет применения различных способов и технологий инъекционной цементации.

Возможно три варианта технологических решений. Первый - организация сброса «излишнего» объема жидкой фазы раствора из системы инъек-тируемых трещин через дренажные скважины при применении жидких цементных растворов. Второй - виброцементация, при которой колебания раствору и окружающим породам передаются одновременно с процессом нагнетания. Третий - цементация под

вакуумом, при которой одновременно с процессом нагнетания производится откачка воздуха из соседних скважин. При обоснованной необходимости возможно сочетание указанных способов.

Первый вариант. Для повышения проникающей способности применяют цементные растворы малой концентрации, жидкая фаза которых находится в объеме, избыточном для процесса гидратации и необходима только для гидротранспорта частиц цемента по длине трещины.

Авторами разработаны новые технологии крепления горных выработок на основе инъекционного цементационного упрочнения нарушенных горных пород с применением сыпучих минеральных за-полнителей (чистый кварцевый песок) в качестве фильтрующей среды для твердой фазы цементных растворов [а.с. СССР № 768990, патенты РФ № 2283959, 2320875, 2337241]. При этом возможно применение различных специально разработанных конструкций анкерной крепи.

Разделим процесс цементации на две фазы: нагнетание и дренирование. На рис.1. представлены способы инъекционного нагнетания цементационного раствора с вариантами конструкций анкеров. На рис. 2. представлены способы фильтрационного дренажа жидкой фазы цементационного раствора. На рисунках Цр обозначено движение цементного раствора, а Ф -движение фильтрата. Вариант с полой дренажной или нагнетательной скважиной не показан и принят в качестве возможного первичного (исходного) варианта.

Основная идея предложенных спосо-

бов заключается в том, что для обеспе- отфильтровывания из системы дренаж-

чения необходимого качества и надеж- ных скважин «излишней» (для процесса

ности крепления при инъекционной це- гидратации) жид кой фазы раствора.

ментации трещин создана возможность

^ Устойчивая часть массива

Устойчивая часть массива

4^ /

”7* К

Ф

Рис. 1. Способы инъекционного нагнетания цементационного раствора

I Цр

Рис. 2. Способы фильтрационного дренажа жидкой фазы цементационного раствора

Так, после бурения нагнетательных и дренажных скважин, нанесения и отверждения изолирующего несущего покрытия известными способами через инъектор производят поскважинное нагнетание цементационного раствора в породы.

Под действием давления нагнетания цементационный раствор через нагнетательные скважины проникает во вскры-

тые трещины и полости приконтурного массива горных пород. Далее, как известно [3], в какой-то момент времени наступает прекращение растворопогло-щения упрочняемых горных пород. Последующая выдержка под максимальным давлением нагнетания цементационного раствора приводит к отфильтро-выванию «излишней» жидкой фазы раствора, которая при преодолении гидрав-

лического сопротивления дренажных скважин частично истекает в выработку.

В вариантах, изображенных на рис.

2, а и в, происходит приращение суммарного сопротивления движению вдоль оси скважины за счет процессов кольма-тации и седиментации твердых частиц, сопровождаемых взаимоналожением потоков фильтрата из трещин более удаленных уровней. Для устранения подобного явления предложен вариант, изображенный на рис. 2, б, где жидкая фаза раствора отфильтровывается через фильтрующий материал картриджа дренажной скважины. Картридж конструктивно выполнен с равной радиальной толщиной фильтрующего материала вокруг осевой перфорированной дренажной трубки, что дает возможность радиального отфильтровывания жидкой фазы раствора в сторону наименьшего гидравлического сопротивления к оси скважины и его свободного сброса внутрь выработки. При этом для потоков жидкой фазы цементационного раствора, попадающих в дренажную скважину из каждой вскрытой трещины, гидравлическое сопротивление движению через объем фильтрующего материала и его изменение во времени (при прочих равных условиях) одинаково и не зависит от глубины залегания каждой трещины. Обеспечивается условие равновозможного сброса фильтрата от каждого горизонта упрочняемой зоны, что повышает интенсивность отфильтровывания и, соответственно, прочностные и адгезионные характеристики получаемого цементного камня во всем объеме закрепляемых пород вокруг горной выработки.

Описанные процессы происходят только лишь под действием давления нагнетания, при котором рост плотности частиц вяжущего раствора имеет предел

и далее не зависит от повышения давления нагнетания. Дальнейшее порядное нагружение анкеров, расположенных в нагнетательных и дренажных скважинах, в направлении от забоя выработки (в сторону ранее упрочненных горных пород) способствует волновому распространению вяжущего раствора по трещинам и расслоениям. При этом повышается интенсивность отжатия жидкой фазы. Происходит более эффективная сшивка и объемное сжатие упрочняемых пород приконтурной зоны закрепляемой горной выработки с одновременным их поджатием к устойчивой части массива. Большая величина нагружения анкерной крепи позволяет реализовать более активное принудительное разнонаправленное сближение плоскостей трещин и расслоений. Вяжущий раствор, не имея другого выхода, дополнительно проникает в незаполненные трещины и поры, а избыточная отжимаемая жидкая фаза (фильтрат) раствора начинает истекать в выработку. Описанные процессы выравнивают структурную неоднородность частиц вяжущего в объеме цементируемой системы трещин, повышая качество упрочнения трещиноватых горных пород.

В указанных способах применены анкеры, закрепляемые в скважине сыпучим минеральным заполнителем (чистым кварцевым песком) за счет сил трения и сцепления [патенты РФ № 2166634, 2166635, 2166636, 2320875, 2321749, заявки на изобретение 2008 года]. Нагружение анкерной крепи в сочетании с цементационным упрочнением нарушенных пород формирует напряженную несущую конструкцию вокруг контура выработки и способствует эффективной консолидации массива и частиц цемента.

Второй вариант. Перспективным вариантом развития способов инъекционной цементации нарушенного массива является виброцементация. Известен способ закрепления несвязных пород [5], принятый за основу и включающий нагнетание через скважины цементационного раствора с одновременной передачей колебаний раствору и окружающим породам. Виброактивация значительно увеличивает период седиментации частиц, дольше сохраняя цементационные растворы в подвижном состоянии. Однако скорость потока в удаленных трещинах неизбежно снижается, происходит гашение амплитуды колебаний, тем самым неизбежно ограничивается радиус цементации.

Решение задачи повышения эффективности упрочнения возможно при реализации следующего способа [заявка на изобретение 2008 года]. По известным технологиям производят нагнетание цементационного раствора через скважины в нарушенный массив горных пород приконтурной зоны закрепляемой горной выработки. Нагнетание цементационного раствора сопровождается одновременной передачей колебаний раствору и окружающим породам, что технически возможно, например, при закреплении вибратора на кондукторе, располагаемом в устье скважины. В качестве вибратора применяют, например, катушку в виде обмотки с подвижным сердечником, линейное возвратнопоступательное движение которого и инициирует колебания цементационного раствора и окружающих пород. Сопровождая процесс цементации периодическими гидравлическими импульсами потока цементационного раствора в направлении его движения, резко кратковременно увеличивается скорость

продвижения частиц по трещине. При этом частицы дольше находятся во взвешенном состоянии и, срываясь с места предшествующей остановки, продвигаются дальше, увеличивая радиус распространения цементационного раствора, плотность упаковки и качество цементации трещин.

Третий вариант. Известны разработки ДонНТУ (г. Донецк) [6]. Предложенный способ упрочнения пород включает бурение скважин, нагнетание в одни из них упрочняющего раствора с одновременной откачкой воздуха и контролем истечения упрочняющего раствора из соседних скважин.

Шахтные испытания, проведенные в Донбассе [7], доказали эффективность технологии. Использование вакуумиро-вания при химическом упрочнении позволило увеличить расстояние между рядами обрабатываемых шпуров с 1,5 до 3 м. На экспериментальном участке не наблюдалось гидровзрыва пород, хотя давление нагнетательной установки было максимальным. Эффект вакуумиро-вания способствовал принятию обрабатываемым массивом с одной позиции от 170 до 280 кг раствора (против 90 кг при обычной схеме нагнетания), что свидетельствует о более качественной обработке массива. Выход упрочняющего состава только через отсасывающий шпур подтверждает, что процесс обработки массива принимает направленный характер и создаются условия для упрочнения пород по заданным геометрическим параметрам.

При приложении описанного опыта к технологиям инъекционной цементации, не смотря на уменьшение подпора воздуха, проникающая способность частиц цемента будет ограничена величиной раскрытия заполняемых трещинах.

При достижении величины раскрытия трещины около двух-трех диаметров проходящих твердых частиц (в некоторых случаях даже четырех), происходит их механическое заклинивание, а дальнейшее откачивание воздуха из трещин приведет только к фильтрационному движению жидкой фазы раствора. Таким образом, часть тонких трещин, которые также как и крупные нарушают

сплошность массива, останется не заполнена раствором.

Указанные варианты технологических решений имеют значительную область применения и способствуют дальнейшему развитию новых способов инъекционной цементации, как структурного элемента системы эффективного консолидирующего крепления горных выработок в сложных условиях.

Работа выполнена при финансовой поддержке Администрации Кемеровской области (грант Губернатора Кемеровской области для молодых ученых - кандидатов наук на проведение фундаментальных и прикладных исследований по приоритетным направлениям социально-экономического развития Кемеровской области 2007-2008

гг.).

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Заславский Ю.З., Дружко Е.Б. Новые виды крепи горных выработок. - М.: Недра, 1989. - 256 с.: ил.

2. Заславский Ю.З., Лопухин Б.А., Дружко Е.Б., Качан И.В. Инъекционное упрочнение горных пород. - М.: Недра, 1984. - 176 с.

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

4. Хямяляйнен В.А., Митраков В.И.,

Сыркин П.С. Физико-химическое укрепление пород при сооружении выработок. - М.: Недра, 1996. - 352 с: ил.

5. А.с. СССР №1138511. МПК Е2Ш 21/00, опубл. 07.02.1985, бюл. №5.

6. А.с. СССР № 973852. МПК Е2Ш 11/00, опубл. 15.11.1982, бюл. №42.

7. Касьян Н.Н., Худолей О.Г., Лысенко В.И. Шахтные испытания нового способа упрочнения горного массива. Уголь Украины, февраль 1995.

Коротко об авторах

Хямяляйнен В.А. - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой Теоретической и геотехнической механики ГОУ Кузбасского государственного технического университета, заслуженный деятель науки РФ, vah@kuzstu.ru

Майоров А.Е. - кандидат технических наук, зав. лабораторией проблем энергосбережения Кемеровского научного центра СО РАН, majorov-ae@mail.ru

---------------- НОВИНКИ

ИЗДАТЕЛЬСТВА «ГОРНАЯ КНИГА»

Супрун В.И.

Белый камень. - М.: Изд-во МГГУ, издательство «Горная книга». - 2010, - 153 с.

Рассмотрены вопросы использования белого камня в архитектуре и строительстве. Приведены исторические сведения о применении известняка, обобщены и систематизированы данные по сырьевой базе белого камня. Значительное место уделено результатам обследования состояния камня в памятниках архитектуры и даны рекомендации по областям применения различных типов известняков. Для разведанных карбонатных месторождений проведена их типизация и определены условия строительства специализированных карьеров по добыче белого камня.

Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Открытые горные работы» направления подготовки «Горное дело». Может быть полезна реставраторам, архитекторам, горным инженерам и геологам.