СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД
STRENGTHENING METHOD OF ROCKS MASSIF

Изобретение относится к горной геомеханике и может быть использовано для изменения физико-механических свойств горных пород в направлении увеличения их прочности и устойчивости.
Известна группа способов упрочнения массива горных пород на основе смол: мочевиноформальдегидных, полуэфирных, полиурановых (А.П.Томашевский, В.М.Болдин и др. «Временное руководство по упрочнению угольного массива мочевиноформальдегидными смолами на шахтах Кузбасса», Прокопьевск, «Прокопьевскуголь» 1979, стр.13-23).
Данная группа способов включает: установление зон и участков горных пород, подлежащих упрочнению: слабые породы (неустойчивые, не обеспечивающие состояния незакрепленного пространства на период эксплуатации горной выработки), физико-механические свойства, наличие тектонических нарушений, наличие зон повышенного горного давления (ЗПГД) и т.д.; бурение скважин; герметизацию; нагнетание многокомпонентных твердеющих реагентов под значительным (240 атм.) давлением; оценка эффективности мероприятия.
Недостатком данной группы способов является неэффективность его применения при обводненности и блочном строении массива, при котором эффективность затвердения и адгезии укрепляющих составов снижается.
Также известны способы укрепления горных пород набрызгом, которые заключаются в нагнетании насосом бетона на стены выработки и формировании «скорлупы», удерживающей массив (Б.X.Кошумов «Новые материалы и способы крепления на рудниках НПО «Джезказганцветмет», М.: Изд-во ЦНИИЭТЦветмет Серия «Горное дело», выпуск 1, 1989 г.).
Недостатком данной группы способов является следующее обстоятельство: глинистые и трещиноватые, блочные массивы, при этом не удается сохранить в устойчивом состоянии из-за медленного набора прочности бетона (при набрызг-бетоне) и низкую силу сцепления с породами (1-1,2 МПа), из-за чего при дополнительной динамической нагрузке зоны повышенного напряжения (ЗПГД), буровзрывных работах происходит отслоение и потеря несущих и связующих свойств горных пород.
Известна группа способов укрепления неустойчивых горных пород, принятых за прототип, включая лессовые, основанные на бурении скважин в упрочняемый массив, закачку углеводородных материалов (керосин, дизельное топливо и т.д.), кислородсодержащих газов (воздуха) и организацию окислительной реакции. Способ обеспечивает при температуре 700°С упрочнение горных пород.
Недостатком является трудоемкость способа из-за необходимости бурения и удержания стволов скважин в неустойчивых породах, а подача и отвод газообразных продуктов реакции приводят к взрывам и аварийным ситуациям при эксплуатации, а также к выносу частиц пород к устью скважины и формированию дополнительных объемов в пробуренных скважинах, кроме того, способ ограничен применением поверхностью земли и не предусматривает применение в условиях горных выработок, а также при их проходке и креплении в зонах повышенного горного давления.
Техническим результатом применения изобретения является повышение эффективности, безопасности упрочнения массивов горных пород в обводненных условиях и в иных условиях неустойчивых пород (наличие песчаников, мелких блоков (0,1-0,2 см), в зонах дробления), а также в зонах повышенного горного давления (ЗПГД).
Технический результат достигается тем, что способ упрочнения массивов горных пород, включающих установление зон и участков горных пород, подлежащих упрочнению, оценку их физико-механических свойств, обуривание зон скважинами и введение веществ, вступающих в окислительную реакцию между собой, согласно изобретению, что при оценке физико-механических свойств определяют теплопроводность, температуру спекаемости и период их остывания и пробуренные скважины оборудуют термическими элементами с заранее заданными термическими и энергетическими параметрами, обеспечивающие при их работе температуру не ниже температуры спекания пород, а расположение и количество скважин выбирают, исходя из теплопроводности пород, таким образом, чтобы обеспечить спекание пород в объеме упрочняемого участка, а проходку продолжают после снижения температуры массива до нормального уровня; в данном способе в качестве термитных элементов используют капсулы с термитным топливом или иным, исключающих вынос обрабатываемых пород на устье скважины или шпура.
Сущность изобретения заключается в том, что данный способ воздействия на неустойчивые породы (и позволяющие проводить технические действия: проходку, крепление, поддержание, эксплуатацию выработок, включая подземные борта отвалов, разрезов) позволяет перевести данные породы в устойчивое блочное состояние, повысить их прочность, укрепить взаимосвязь блоков путем залечивания трещин, исключить взрывы и аварийные ситуации, вынос пород, формирование неконтролируемых полостей. Известно увеличение прочности глин при нагревании до 200°С и формировании «кирпича» при 500-800°С. Эти параметры используются на заводах по производству кирпича. При температуре 1300°С известно упрочнение глин до спекания. Однако эти прочностные параметры достигаются при временном воздействии (90 часов) на глинистый, пористый, обводненный массив. Кроме того, способ такого воздействия включал нагнетание углеводородсодержащих, жидких или газообразных веществ и кислородсодержащих веществ (воздух), что может приводить к взрывоопасным концентрациям, выносу обрабатываемых пород и формированию полостей. Применение данного способа позволит воздействовать на массивы глин, суглинков, супесей продолжительностью до 0,5-2 часов, превращая в клинкерную массу (при глинах) или отстекловывая (при песчанниках и супесях) массивы до 2-3 метрах в диаметре, если применять клинообразные до 5 метров в почву клина. Применение брикетированного под давлением перхлората позволит получить поступление разогретого до 400-500°С кислорода в массив тексотропных пород, окисление (сгорание, ококсование) органических компонентов в нем, и закрепление не только за счет прогрева до 400°С, но и зон сгорания органики. При этом и в первом, и во втором случае загрузка капсулами с насыпным или брикетированным термитным или кислородным (перхлоратным) элементами является наиболее простой технологической операцией. При проходке капитальных выработок данные термоизлучатели размещают в кровле проводимых выработок в виде каркаса из спекаемых блоков пород над областью проходки и, инициируя термическую реакцию, создают устойчивый массив с прочностными характеристиками, достаточными для удержания массива, до создания капитального крепления. Поскольку внедрение способа предполагается, прежде всего, в неустойчивых и «рыхлых» массивах, представляется актуальным вдавливание термитных элементов, собранных в виде клиньев, на алюминиево-магниевых ребрах и основаниях, увеличивающих при термитных реакциях температуру, за счет участия в них, расплавления, проникновения в них в расплавленном состоянии и укреплении массива.
На Фиг.1 - Фиг.2 в качестве иллюстраций показана схема размещения и эффектов от работы скважинных термоизлучателей по способу, где: 1 - массив неустойчивых пород; 2 - выработка, проходимая по неустойчивым породам; 3 - нагревательный элемент, расположенный в шпуре, соответствующем ста диаметрам; 4 - области упрочненных, обожженных пород вокруг термоизлучателей 3.
На Фиг.2 - Фиг.7 в качестве иллюстраций представлено устройство скважинного термоизлучателя и формы его применения в неустойчивых массивах, пригодные для вдавливания: 5 - полый корпус, изготовленный из легкого, расплавляемого материала; 6 - ребра жесткости и направляющие, изготовленные из алюминиево-магниевых стержней; 7 - термитное топливо насыпное; 8 - термитное топливо, брикетированное в виде концентрированных шашек, нанизанных на алюминиево-магниевый стержень; 9 - ядро инициирования термитной реакции; 10 - узел для создания запальной температуры, т.е. для подведения инициирующего тока (возможны: огневое или ударное инициирование (вытяжное кольцо)).
Способ осуществляется следующим образом.
В применяемом способе может быть использован скважинный термоизлучатель, в котором полый корпус 5 установленным на нем нагревательным элементом 7, тоководом, подключенным к источнику энергии, выполненным из легкого разрушающегося материала, например, фольги, жести, картона, полиэтилена. Корпус закреплен на каркасе из алюминиево-магниевых стержней 6, соединенных кольцами из того же материала, а внутренний объем заполнен насыпным высушенным при температуре ниже 120°С термитным топливом 7, приводимым в реакцию узлом создания запальной температуры 10.
Анализируют физико-механические свойства пород массива, по которому предстоит проведение выработок, используя данные испытания проб, кернов, отобранных при детальной разведке трассы выработки, обращая внимание на прочностные свойства, блочность (трещиноватость) и обводненность пород. При этом дополнительно проводят испытание проб пород на теплопроводность и, максимально нагревая их, определяют температуру спекаемости (упрочнения при глинистом или рудном компоненте), отстекловывание (при песчанистом).
Затем в массиве 1 из выработки 2 бурят шпуры или скважины, в которых размещают скважинные термоизлучатели. Шпуры размещают на удалении, обеспечивающем смыкание упрочненных («спеченных», «остеклованных») зон. А этот параметр определяют при испытании пород на теплопроводность, и, исходя из характеристик применяемого термитного топлива, обеспечивающего 800-1000-1800-2000-2300°С.
Шпуры, скважины, пробуренные «каркасно», с предполагаемым закреплением массива при продвижении забоя из начального положения а в положение б и оборудованными скважинными термоизлучателями, заполняют забойкой, изолирующей от выработки и инициирую термитную реакцию электрическим, ударным или огневым способом. А процесс проходки начинают после завершения процесса их остывания до нормального уровня.
При наличии упомянутых жестких ребер размещение заряда в легком разрушающемся корпусе в скважине, шпуре или при вдавливании в рыхлый тексотропный массив не вызовет затруднений. Наиболее просто этот процесс организовать при формировании круглого скважинного термоизлучателя с конусным завершением (Фиг.5-7), собранного из пакета прессованных термитных шашек, собранных на оси алюминиево-магниевого материала. Однако при рыхлых, тексотропных средах возможно внедрение под давлением термоизлучателей эллипсоидного и прямоугольного сечения с упомянутыми ребрами жесткости или жестким сгораемым корпусом из алюминия или магния.
После внедрения скважинных термоизлучателей, через период не менее 0,5-1,5 часа, замеряют температуру вмещающих пород, оценивают их устойчивость (например, по отбору и испытанию проб) и осуществляют плановые мероприятия по креплению сечения (заведение и монтаж колец тюбингов, нагнетание в затюбинговое пространство цемента и т.п.). При недостаточной эффективности операции повторяют, увеличивая в 2-3 раза плотность размещения термоизлучателей. Предлагаемый способ реализуется простыми, дешевыми, безопасными в эксплуатации и экологии реагентами и конструкциями. Достигается упрочнение рыхлых, неустойчивых отсадочных пород, что актуально при проходке стволов и выработок в наносах и обводненных породах. К тому же, он эффективен в рудосодержащих блочных обводненных и мерзлых породах, где применение сталеполимерных анкеров неэффективно, но предварительный прогрев шпуров и закрепление массива расплавами руд позволяет снизить напряженность и повысить устойчивость кровли и почвы выработок.