СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СЛАБЫХ ТРЕЩИНОВАТО-БЛОЧНЫХ РУДНЫХ МАССИВОВ
METHOD FOR STRENGTHENING OF SOFT FRACTURED MODULAR SOLID ORES

Изобретение относится к горному делу, в частности к креплению и поддержанию горных выработок.
Известен способ тампонажа горных пород с неоднородной трещиноватостью (патент RU №2183273, д.п. 14.06.2000). Способ включает бурение основных и дополнительных скважин, нагнетание в дополнительные скважины воды под давлением, обеспечивающим расширение тонких трещин, а в основные скважины - тампонажного раствора под давлением на 1-2 МПа больше давления нагнетания воды. Заканчивают нагнетание тампонажного раствора по мере уменьшения его поглощения массивом до 5-10%. После этого производят бурение следующей пары основной и дополнительной скважин и процесс повторяют.
Недостатками являются разрушение, а также снижение прочностных качеств окружающих пород структуры руды из-за высокого давления нагнетания; резкая потеря прочности пористых рудных массивов при предварительном нагнетании воды в скважины из-за увлажнения и водонасыщения.
Известен способ цементации трещиноватых горных пород (патент RU №2337241, д.п. 07.03.2007). Способ включает бурение нагнетательных и вокруг них дренажных скважин, нагнетание цементационного раствора в породы через нагнетательные скважины, отфильтровывание и удаление жидкой фазы цементационного раствора через фильтрующий материал дренажных скважин.
Недостатком является слабое проникновение цементных растворов в пористые структуры трещиновато-блочных рудных массивов из-за размеров частиц раствора, сравнимых с размерами пор.
Известен способ тампонажа горных пород с неоднородной трещиноватостью (авт. св. SU №1456585, д.п. 12.03.1987), принятый за прототип. Способ включает бурение скважин первой серии и нагнетание в них цементного раствора, бурение дополнительных скважин второй серии между скважинами первой серии и нагнетание в них цементного раствора для заполнения тонких трещин. Перед нагнетанием цементного раствора во вторую серию скважин через них производят расширение тонких трещин породы посредством подачи в них воды под давлением 18-25 МПа, а цементный раствор нагнетают в расширенные трещины сразу после подачи воды под давлением, равным давлению подачи воды.
Основными недостатками способа являются:
- разрушение, а также снижение прочностных качеств окружающих пород структуры руды из-за высокого давления нагнетания;
- резкая потеря прочности пористых рудных массивов при предварительном нагнетании воды в скважины из-за увлажнения и водонасыщения;
- слабое проникновение цементных растворов в пористые структуры трещиновато-блочных рудных массивов из-за размеров частиц раствора, сравнимых с размерами пор.
Техническим результатом изобретения является упрочнение слабых трещиновато-блочных рудных массивов, повышение безопасности ведения работ по строительству выработок.
Технический результат достигается тем, что в способе упрочнения слабых трещиновато-блочных рудных массивов, включающем бурение скважин первой серии и нагнетание в них цементного раствора для заполнения полости трещин, бурение скважин второй серии между первыми и нагнетание в них раствора для заполнения порового пространства, скважины первой серии прокачивают под давлением не более 1,5 МПа раствором микроцементов с размером частиц цемента менее 20 мкм, а скважины второй серии прокачивают под давлением не более 1,5 МПа раствором акриловых смол или кремнезема низкой вязкости с размерами частиц менее 20 нм.
Использование для прокачки под давлением не более 1,5 МПа скважин первой очереди растворов микроцементов обеспечивает цементацию структурных блоков рудного массива, разделенных трещиноватостью. Особенностью микроцементов, обеспечивающей им высокую проницаемость, является минимальный размер частиц менее 20 мкм. Значительные прочностные и адгезионные характеристики позволят надежно сцементировать микро- и макротрещины под низким давлением, то есть исключая вероятность разрушения слабого массива.
Использование для прокачки под давлением не более 1,5 МПа скважин второй серии раствором акриловых смол или кремнезема низкой вязкости с размерами частиц менее 20 нм обеспечивает упрочнение слабого порового пространства трещиновато-блочного массива под низким давлением. Особенностью акриловых смол и кремнеземов является низкая вязкость менее 15 мПа·с и размеры частиц менее 20 нм, что позволяет проникать этим материалам даже в микропоры массива.
Прокачка массива в два этапа дает ряд преимуществ: возможность прокачивать трещины и поры различными материалами, первоочередное нагнетание не только цементирует трещины, но и предупрочняет массив перед прокачкой скважин второй очереди перового пространства, тем самым обеспечивая более безопасные условия ведения работ.
Способ осуществляют следующим образом. В забой или в бока горной выработки бурят нагнетательные скважины первой серии, прокачивают их под давлением не более 1,5 МПа раствором микроцемента, например Rheocem фирмы BASF или Micro-fine DMFC-GM фирмы SSGS Со, с размером частиц от 6 до 15 мкм, тем самым связывая и скрепляя между собой структурные блоки трещиновато-блочного массива. После нагнетания раствором микроцемента между скважинами первой очереди бурят скважины второй очереди, прокачивают их под давлением не более 1,5 МПа материалами низкой вязкости, например акриловыми смолами AV-Gel фирмы Vorek или коллоидным кремнеземом Meyco МР 320 фирмы BASF, с размером частиц менее 20 нм, тем самым упрочняя и стабилизируя пористый массив структурных блоков. Количество скважин, расстояние между ними, конечное давление нагнетания, тип микроцемента и концентрацию раствора, тип акрилата или кремнезема и другие параметры определяют в зависимости от геологических особенностей рудного массива и требований к характеристикам упрочненного массива известными способами.
Например, способ применили для условий Яковлевского железно- рудного месторождения для предупрочнения в приконтактной зоне рудного тела и вмещающего породного массива, характеризующегося пористой структурой структурных блоков, разделенной трещиноватостью и слоистостью. Средний размер частиц породы 0,02-0,07 мм. Проходка выработок комбайновая не более 2 метров в смену. В забой выработки бурят скважины первой серии длиной 7 метров и диаметром 43 мм с шагом не более 2 метров. Длина скважин обусловлена имеющимся буровым оборудованием. Скважины первой серии прокачивают раствором микроцемента Rheocem 650 с водоцементным отношением 0,8 под давлением 1 МПа. После затвердения микроцемента через смену бурят скважины второй очереди между скважинами первой серии. В скважины прокачивают под давлением 1 МПа коллоидный кремнезем Meyco МР 320 с вязкостью 10 мПа·с и размером частиц 15 нм. Предварительное упрочнение позволяет вести проходку и крепление выработок в безопасных условиях.
Таким образом, способ позволяет упрочнять слабые трещиновато-блочные рудные массивы и повысить безопасность ведения работ по строительству выработок.