СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК С ТЕРМОУПРОЧНЕНИЕМ НЕУСТОЙЧИВЫХ ПОРОД
METHOD FOR SUPPORTING MINE WORKINGS WITH THERMAL STRENGTHENING OF UNSTABLE ROCKS

Изобретение относится преимущественно к горной промышленности и подземному строительству, а именно к проведению и креплению горных выработок с применением анкерной крепи. Оно позволяет повысить устойчивость обнажений выработок при их проведении и поддержании на обводненных участках глинистых, суглинистых, песчаноглинистых отложений и органосодержащих пород и грунтов, склонных к обрушению вслед за подвиганием забоя. Изобретение может быть использовано также для укрепления уступов и бортов карьеров, разрезов и оползнеопасных склонов.
Известен способ крепления горных выработок (а.с. СССР №1112125, Е21D 20/00, 1984 г.), включающий бурение под определенным углом опережающих скважин на сопряжении кровли с забоем в направлении проведения выработки и установку в них анкеров. При этом концы анкеров заглубляют за линию контура зоны разгрузки впереди забоя, а их натяжение происходит после подвигания забоя за счет увеличения объема пород в зоне разгрузки, в результате чего предотвращается разупрочнение пород при проходке.
Однако данный способ становится малоэффективным в глиносодержащих породах блочного строения, поскольку такие породы при обводненности склонны к самообрушению вслед за подвиганием забоя под действием собственного веса, а натяжение анкеров за счет увеличения объема пород в зоне разгрузки возможно только в условиях преобладания деформаций упругого восстановления, что не характерно для такого типа пород.
Наиболее близким к предлагаемому техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ крепления горных выработок (а.с. СССР №1544985, Е21D 20/00, 1990 г.), включающий бурение на сопряжении кровли с забоем на каждой заходке наклонных опережающих скважин и дополнительно в створе с ними вертикальных скважин с последующей установкой в них анкеров. При этом наклонные скважины бурят длиной, превышающей длину двух заходок на величину замковой части анкера, а устья скважин последующей заходки располагают между наклонными скважинами предыдущей заходки. При установке вертикальные и наклонные анкеры зацепляют концевыми частями на каждой заходке.
Основными недостатками такого способа в обводненных глиносодержащих породах являются низкая прочность закрепления замковых частей анкеров в скважинах, слабое взаимодействие вертикальных и опережающих наклонных анкеров между собой и призабойным массивом, а также недостаточная надежность узла сцепления концевых частей наклонных и вертикальных анкеров.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и расширение области применения анкерного крепления выработок за счет его сочетания с предварительным термическим упрочнением неустойчивых пород приконтурного массива выработок.
Технический результат достигается тем, что способ крепления, включающий бурение на сопряжении кровли с забоем на каждой заходке вертикальных скважин и в створе с ними наклонных скважин длиной, превышающей длину заходок на величину замковой части анкера, установку в них анкеров и зацепление вертикальных и наклонных анкеров концевыми частями при каждой заходке, согласно изобретению одну часть пробуренных скважин оборудуют термическими элементами, обеспечивающими при их горении температуру, достаточную для необходимого упрочнения пород в объеме участка массива между соседними скважинами, а другую часть скважин используют для последующего крепления выработки анкерами, при этом связь и взаимодействие наклонных и вертикальных анкеров между собой и с массивом горных пород обеспечивают с помощью опорных уголков и натяжных гаек.
Также технический результат достигается тем, что часть пробуренных скважин используют для контроля состояния упрочняемого породного массива и, при необходимости, для последующего дополнительного упрочнения массива.
Сущность изобретения заключается в том, что данный способ позволяет за счет термического воздействия на обводненные неустойчивые породы приконтурного массива перевести их в состояние, обеспечивающее возможность эффективного применения анкерного крепления (достаточную прочность закрепления замков и замковых частей анкеров, высокую адгезию закрепляющих составов). Известно увеличение прочности глин при нагревании до 200°С и формировании «киринга» при температуре 500-800°С. Эти параметры используются на заводах по производству киринга. При температуре 1300°С известно упрочнение глин до спекания. Применение термоизлучателей по данному способу позволит воздействовать на массивы глин, суглинков, супесей продолжительностью до 0,5-2,0 часов, прогревая и превращая в клинкерную массу (при глинах) или остекловывая (при супесях и песчаниках) массивы до 2-3 м в диаметре (см. А.С.Тишкинов, А.А.Таюрский, Е.В.Гончаров, А.Т.Карманский «Упрочнение неустойчивых массивов горных пород на основе термического и газотермохимического воздействия «Вестник Кузбасского государственного технического университета», Научно-технический журнал, №1, 2006 г., стр.74-76).
При подходе забоя выработки к участку залегания неустойчивых глиносодержащих пород перед каждой заходкой на сопряжении выработки с забоем по контуру неустойчивых пород в поперечном сечении выработки (а при необходимости и по всему контуру поперечного сечения) производят бурение скважин, нормально направленных к поверхности выработки, и в створе с ними наклонных скважин в направлении подвигания забоя. При этом наклонные скважины бурят на глубину, превышающую длину заходки. По завершении бурения в части скважин размещают термоизлучатели и, инициируя термическую реакцию, в приконтурном массиве выработки на призабойном участке и впереди забоя за счет обжига или спекания создают зону упрочнения пород с качественными и прочностными характеристиками, достаточными для эффективной работы анкерной крепи.
После термообработки массива в другой части скважин устанавливают железобетонные анкеры с распорными замками. При этом ряды анкеров, установленных в плоскости поперечного сечения выработки, и в створе с ними ряды наклонных опережающих анкеров связывают между собой с помощью опорных уголков, а сами анкеры натягивают с помощью гаек.
По окончании крепления производят подвигание забоя выработки на величину принятой длины заходки, после чего операции по упрочнению и креплению возобновляют в той же последовательности.
Использование такого способа анкерного крепления выработок на участках залегания неустойчивых глиносодержащих пород обеспечивает устойчивость выработки до установки постоянного вида крепи (бетонной, тюбинговой и т.п.).
На фиг.1 показан участок выработки (план по кровле и продольные разрезы) в процессе проходки с креплением по данному способу и схемой расположения зон термоупрочнения приконтурного массива выработки, где:
1 - массив неустойчивых пород;
2 - скважины, пробуренные для термообработки пород;
3 - скважины для установки анкеров временной крепи;
4 - скважины для установки анкеров предохранительной крепи;
5 - термоизлучатели, установленные в скважинах;
6 - области упрочненных пород вокруг скважин после термообработки пород кровли;
7 - железобетонный анкер временной крепи;
8 - железобетонный анкер предохранительной крепи;
9 - узел связи анкеров временной и предохранительной крепи;
10 - контрольно-резервная скважина.
На фиг.2 представлено устройство скважинного термоизлучателя
11 - оболочка корпуса из легко расплавляемого материала;
12 - ребра и кольца жесткости каркаса из алюминиево-магниевых стержней;
13 - термитное топливо (насыпное);
14 - ядро инициирования термитной реакции;
15 - узел создания запальной температуры (инициирование электротоком, огневое или ударное).
На фиг.3 приведен узел связи анкеров временной и предохранительной крепи
16 - опорный уголок;
17 - натяжная гайка;
18 - распорный замок анкера.
Способ осуществляется следующим образом.
Анализируют физико-механические свойства пород, по которым предстоит проведение выработок, используя испытания проб и кернов, отобранных при разведочном бурении и проходке по трассе выработок в подобных условиях, обращая внимание на прочностные свойства, трещиноватость и обводненность пород. При этом дополнительно испытывают породы на теплопроводность, определяют температуру спекаемости (упрочнения при глинистом компоненте) и остекловывания (при песчанистом).
При подходе к участку неустойчивых пород 1 (фиг.1), залегающих, например, в кровле выработки, переходят на новый паспорт крепления, согласно которому на сопряжении кровли с забоем выработки бурят вертикальные и в створе с ними слабонаклонные скважины (под углом 5-10° к горизонтали) в направлении подвигания выработки.
По окончании бурения обоих рядов скважин в части из них (скважины 2) размещают термоизлучатели 5 и инициируют процесс термообработки пород кровли 1. При оборудовании скважин термоизлучателями их устья заполняют забойкой, изолируя таким образом инициируемую термитную реакцию (электрическим, ударным или огневым способом) от выработки.
При этом расстояние между скважинами 2 в рядах и между рядами (а) принимают по условию смыкания зон упрочнения (спекания или остекловывания), образующихся у скважин после их термообработки (см. фиг.1). Этот параметр определяют, исходя из результатов испытаний пород при действии на них высоких температур и характеристик применяемого термитного топлива.
Конструкция термоизлучателя 5 довольно проста (фиг 2). Термоизлучатель имеет полый цилиндрический корпус 11, выполненный из легкого разрушающегося материала (например, фольги, жести, картона, полиэтилена и т.п.) Корпус закреплен на каркасе из алюминиево-магниевых колец и стержней 12, а внутренний объем корпуса заполнен насыпным, высушенным при температуре не ниже 120°С термитным топливом 13, приводимым в реакцию узлом создания запальной температуры 14 с токовводом 15, подключенным к источнику энергии.
Скважинный термоизлучатель может быть собран также в виде пакета прессованных топливных термитных шашек на оси из алюминиево-магниевого материала.
Другую часть скважин (3 и 4 на фиг.1) после термообработки пород кровли используют для установки анкерной крепи. При этом анкеры 7, устанавливаемые в вертикальных скважинах 3, выполняют функцию временной крепи, параметры которой определяются расчетным путем с учетом термоупрочнения пород кровли. Расчет производится по условию обеспечения несущей способности анкеров временной крепи 7 при их нагружении в процессе поддержания выработки вплоть до момента установки постоянной крепи.
В скважинах 4, пробуренных в створе с вертикальными скважинами 3, устанавливают железобетонные анкеры предохранительной крепи 8.
Повышенная надежность крепи достигается тем, что при раскреплении анкеров дополнительно используются распорные замки 18, обеспечивающие достаточную начальную несущую способность сразу после установки. Кроме того, анкеры 7 и 8 связывают попарно и натягивают с помощью опорного уголка 16 и гаек 17.
Установку анкеров начинают после остывания пород до температуры не выше 400°С и оценки их устойчивости по испытанию пород экспресс-методами. При недостаточной эффективности упрочнения операцию по термообработке пород повторяют, увеличивая плотность размещения термоизлучателей по скважине или плотность бурения самих скважин с соответствующей корректировкой паспорта крепления, включая допустимое отставание установки постоянного вида крепи (металлической арочной, бетонной, тюбинговой и т.п.).
Предварительная термообработка массива позволяет также повысить надежность и эффективность применения железобетонной анкерной крепи за счет уменьшения сроков схватывания и затвердевания цементно-песчаного раствора в скважинах и улучшения его адгезионных свойств. В зависимости от степени термоупрочнения пород выбирают параметры анкерного крепления (с установкой или без установки опережающих наклонных анкеров, с установкой или без установки вертикальных анкеров). При высокой степени термоупрочнения пород, обеспечивающего устойчивость выработки до момента установки постоянного вида крепи, установка анкерной крепи не требуется.
Пример применения способа
При подземной разработке месторождений алмазов в Архангельской области проходку выработок необходимо вести в условиях залегания обводненных глиносодержащих и песчанистых пород средней прочностью от 2 до 5 МПа, относящихся к категории неустойчивых вследствие склонности пород к обрушению сразу вслед за подвиганием проходческого забоя.
Это требует применение специальных мер по обеспечению безопасности работ в призабойной зоне и сохранению устойчивости выработки до возведения постоянной капитальной крепи.
Таким мерам полностью соответствует данный способ крепления с термоупрочнением пород приконтурного массива выработки.
Рассмотрим применение способа в условиях проведения капитального квершлага шириной 4,5 м и высотой 3 м горизонта - 600 м при разработке алмазного месторождения им. В.Гриба. По данным геологической службы рудника выявлено залегание в кровле выработки, влажных неустойчивых глинистых пород.
По данным исследований влияния термического воздействия на прочностные свойства и деформаций этих пород при естественной степени их обводненности определены параметры этого воздействия (см. таблицу).
Результаты термического воздействия на глину и глиносодержащие породы
Температура, создаваемая скважинным излучателем, Т°С
Прочность образца на сжатие, σ МПа
Относительная деформация образца, ε·10<sup>-2</sup>
100
3
1
200
4
1,2
300
5
1,3
400
4,5
1,5
600
14
2,5
900
23
2,2
Установлена эмпирическая связь между основными параметрами. Она отражается следующей формулой:
где r - радиус влияния скважинного термоэлемента в окружающих породах, м;
А и В - эмпирические коэффициенты, устанавливаемыми для разных типов пород по данным испытаний. Для глин согласно экспериментальным данным работы (см. А.С.Тишкинов, А.А.Таюрский, Е.В.Гончаров, А.Т.Карманский «Упрочнение неустойчивых массивов горных пород на основе термического и газотермохимического воздействия «Вестник Кузбасского государственного технического университета», Научно-технический журнал, №1, 2006 г., стр.74-76) установлено А=330, В=100;
Т - температура, создаваемая скважинным термоизлучателем.
Температура спекаемости глиносодержащих пород кровли по данным испытаний составила 300°С, тогда, исходя из условия смыкания зон спекаемости, расстояние между скважинами с термоизлучателями по формуле (1) должно быть не более
Размещение скважин на таком удалении обеспечивает (см. фиг.1) смыкание упрочненных зон.
По данным расчета параметров анкерной крепи расстояние между анкерами в рядах и между рядами составило 0,8 м, а активная длина анкеров 1,8 м.
Следуя данному способу, перед каждой заходкой на сопряжении кровли выработки с забоем бурят ряды вертикальных и в створе с ними ряды опережающих наклонных скважин, в часть из которых после окончания бурения размещают термоизлучатели, производят забойку устьев скважин глиной и монтируют запальную схему. Далее инициируют процесс горения термотоплива одновременно во всех скважинах этого назначения, в результате чего вокруг скважин происходит обжиг и спекание глиносодержащих пород с образованием у каждой скважины ареала упрочнения.
В качестве безгазового термитного топлива используют железоалюминиево-магниевый термит как один из наиболее экономичных видов.
Обычный состав такого термитного топлива:
железная окалина (≈50% Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>+≈50% Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
≈50-60%
алюминий, например, марки АСД
≈20-30%
магний (гранулированный)
≈5-7%
плагиоклаз, например, марки ППЭ-88
(в зависимости от требуемой температуры)
≈2-20%
Для контроля за уровнем температуры в массиве между скважинами смыканием зон упрочнения пород между ними и прочностью пород в зонах используют резервные скважины 10 (см. фиг.1). Контроль за уровнем температуры производят с помощью термопар. Качество упрочнения пород определяют экспресс-методом по вдавливанию пуансонов в стенки скважин.
При необходимости резервные скважины используют для дополнительной термообработки пород.
Процесс крепления начинают после остывания пород до температуры не выше 400°С.
После термообработки породы кровли, в которых применение анкерной крепи считалось неэффективным, приобретают новые качественные характеристики. При креплении достигается достаточная прочность закрепления анкеров в скважинах (не менее 6 Тс), а смыкание упрочненных зон, образовавшихся вокруг анкеров, обеспечивает устойчивость кровли выработки вплоть до последующего возведения постоянной крепи из монолитного бетона.
После установки анкеров временной и предохранительной крепи производят их натяжение с помощью опорных уголков и гаек, что повышает устойчивость выработки за счет взаимодействия анкеров с массивом горных пород в кровле. Опорные уголки представляют собой отрезки прокатной угловой стали №10/8 (ГОСТ 8510-72) длиной 150 мм с толщиной полки 12 мм. В опорных уголках выполнены отверстия. В отверстие широкой полки пропускают хвостовик вертикального анкера, а в отверстие другой полки - хвостовик наклонного анкера (фиг.3).
Далее с помощью комбайна или буровзрывным способом производят подвигание забоя квершлага на длину заходки, равную горизонтальной проекции анкера предохранительной крепи без учета длины замковой его части.
Опережающие наклонные анкеры при достаточном упрочнении пород впереди забоя не устанавливают.