ШМСТЕРСТВО ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ СССР Управленне горного хгровзводотва

ВсеаоюэияЯ иаучночвсслвдотатольснкй и прооктно-конструкторекнЛ институт ш осушена» иасшороудазаг полезных кскоцаешх.спе^кыаншм горным работам, рудничной геолоши и маркшейдерскому делу В И О Г Е М

УТВЕРЖДАЮ: Директор института И.Ф.Оксаяич 19 карта 198? г.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ХИМИЧЕСКОГО ЗАПРЕЩЕНИЯ ПОРОД ПРИ ПРОХОДКЕ ГОРИЗШ'ШЫШХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Белгород 1987

УДК 622.257:622.273

Описание технологии химического закрепления пород при проходке горизонтальна; горных выработок составлено на основ© результатов исследований, опытных и проектных работ, выполненных институтами Ш0ГЕМ,Ш1,ИГД им.А.А.Скощшского, ШИОСП, ЦНЙИС.ШИИШШС в производственными оргшшзрдшшй - комбинатом Кривбасстахтонро-ходка, Таврхпескм ГОКом, Главтопнольметроотровм и др. В нем изложены осноБйыв параметры способа, химического закрепления при проходке горных выработок в песчаных породах и опособы их определения. На лртзрэ применения зкшчэсдого закрепления обводнен-еых песков на шахте $ I Таврического ГОКа дана практические ре-кашндацни по использованию стой технологии при проходке горизонтальных горных выработок в аналогичных горнотехнических и гидрогеологических уедавши. Иркведеш технические условия и справочные данные, необходима для проектнрозашзя.

Описание составлено кандидатами техн.иаух Н.Т.Фатеевым, В. Ф. Карякиным, ник. Н. Г. Власовым (Е10.ГЕЫ),инж.А.А.Чеховьчем, В.Н.Карпо-вым (Таврический ГОК).Предназначено для инженерно-технических и жаучных работников проектных, научно-исследовательских^производ-отвенвнх организаций горного и строительного профилей. Утверждено на заседании секции научно-технического совета по специальным горным работам, геомеханике и маркшейдерскому делу 26 декабря 1986 г.

'чй' , Вскопаны* иаучжуисслепомтельс**# к проектно-конс^рукторсхяЯ институт

по oeymemtio месторождений полезных ископаемых, специальным горным работам. £у5пични# геологии я маркшейдерскому делу (ВНОГЕМ). 1087.

где L - расстояние можду скважинами на юс проектной глуйяка, и;

& - нормативное отклонение шъекцкслгных скважин от заданного ьи-правления в процентах от гдуошш скважин (рашо Ш; Л - глу&даи ннгояционных скважин, м*

Количество скважин при однорядном расположении

//«ЯГ!)//,

Где D - диаметр окружности расположения забоев скважин, м.

Диаметр окружности расположения устьев скважин исходя из . требований безопасности и удобств бурения принимают обычно на 0,4 м кеныие диаметра выработки в свету, ила диаметра уширенной частя Наработки. Длина скважин соответствует длине закрепляемого интервала и составляет 15-20 м, угол наклона выбирается проектом с таким расчетом, чтобы на конечной глубине вся толщина ограждения б^-да за контуром выработки в проходке.

При сложной конфигурации закрепляемого массива расстояния между скважинами могут изменяться о учетом перекрытия свободных зоц.

Опытными работали установлено, что от дайны инъекционной заход-ки Е зависит качество ограждения,его оплошность. Для однородных песков длина заходки не должна превышать 2 м, большей частью она составляет 0,33-1 м.

Давление нагнетания должно быть максимальным, во не превышающим давления гидроразрыва,

р_н~(0,П-    Н    •    ^(3,5>

где Ри - давление нагнетания, кг/м²; /!, - средняя плотность вышележащих пород, кг/м³;. Н - глубина ведения работ, м.

Предельно допустимая производительность нагнетания в условиях вытеснения неподвижной воды без суффозионных явлений в породе определяется выражением

- производительность нагнетания закрешвшдих растворов,

Яг - число Рейнольдса, критическое значение которого кож но принять в пределах 4-12; V - кинематическая вязкооть, м²/о; d„- диаметр инъекционной скважины, м; Е - длина инъекционной ааходка, м; K,_v- коаДОициент проницаемости похюд, м².

Объем шп актируемого раствора » одну заходку опредвляют во формуле

И

Технологическое оборудование должно быть удобным для транспортировки и монтажа, безопасным в техническом обслужившяи, обеспечивающим возможность выполнения всех необходимых технологических операций.

Из-за отсутствия специального серийного инъекционного,оборудования при химическом закреплении использует выпускаемые промюпленно-сты) для других условий буровые станки, насосы и растворомешалки, а такие запорную арматуру и контрольно-измерительные приборы.Компоновку необходимого оборудования разрабатывают в проекте.

В зависимости от условий и объемов работ оборудование монтируется на платформах отдельными блоками, удобными для транспортировки, в шахтных условиях.

Бурение горизонтальных скважин длиной 20-50 м осуществляет станками Ш\Р~100М, ИА-I, скважин меньшей длины - електро- и пневмосвер-лями типа C3F-I9m, СР-Зм, машиной МАП-I и др. Краткая характеристика реко?«зндуемух буровых средств приведена в табл. 4.1.

Наибольшее распространение получили станки типа 1IKP-I00 благодаря своей универсальности и возможности бурения вращательным и ударно-поворотным способами. Станок поставляется с распорной колонкой, однако для обслуживания его при бурении в выработках диаметром болев 3,5 к необходимо сооружать специальный полок.

В институте ЕЮГЕМ разработана оснастка, облегчающая установку и обслуживание одновременно двух станков при бурении веера скважин в горизонтальных выработках (рис.4.1). Комплект оснастки состоит из вертикальной распорной стойки, горизонтальной перекладины и поворот-нов стойки. Для придания большей устойчивости системы при осевых вогпэт гориаоптальпап пяроглвдяяа прсоацшт?я к amwp}'₍укреп-12

Параметр!

Глубина бурения, и

Лдаметр коронок, мм

Лкаыэтр штанг, мм

Частота ?раш9ния шаш-деля, c-i'

Длина хода ашщдедя, ш Осевое усилие, кН Число ударов в минуту, с

Давление воздуха, Ша Номгнальная мощность ,кБг Размеры, мм длина шфвна высота Масса, кг Завод-изготовитель

FHO. 4.1. Оснастка для установка буровых станков в забое выработка:

I - распорная стойка; 2 - перекладина; 3 - ограждение; 4 - буровой стаиок ВКР-ЮОйИ; 5-полок; 6 - анкер; 7 - поворотная отойка

ленному в центре забоя. Два буровых станка устанавливаются на поворотной стойке, кто позволяет сбалансировать систему в поперечном направлении выработки. Для устройства рабочего полка с ограждением имеется дополнительная распорная стойка. Вся система раскрепляется домкрат а?«д, установленными на койцах стоек.

Установка для нагнетания растворов является основным злементом инъекционного катаюкса с чаде всего комплектуется поргапевчми,плунжерными, мембранными, пинтовыми, шестеренчатыми и пневматическими И

насосами. Техническая характеристика серийно выпускаемых насосов,

рекомендуемых для иагнвтшш закрешншцих составов,приведена в та&х. 4.2.

Эти насосы обеспечивают возможность применения только однорастворного способа закрепления, при котором нельзя использовать раствори о коротким временем отрерздешая. При двухколшркентаих растворах, когда смешивание ингредиентов производят в системе нагнетания, монтируют обычно два насоса типа ЦД [I5~J ♦ За рубежом используют специальные насосы-дозаторы поршнового типа С0т-5, KPW-3TV Японской фвр^.ы "Кокон 'Т>: pi к г ?Лалин".

Экспериментальный образец инъз:-:цпонного обер/до^хяля создан в институте ШОГШ (рис.4.2), Основным элементом его является насос-дозатор, состоящий из приводного шхенйощ1лшгдра,однопоршц9йо-

го насоса, имеющего обедай шток о приводимы адшчщром, ж двух здщ-жерных насосов с регулируемой длиной хода шгунжеров. Насос-дозатор обеспечивает раздольное нагнетание двух компонентов закрепляющего раствора.

18

Техническая характеристика насоса-дозатора

Насосно-дозировочная установка позволяет осуществлять цроцеоо инъектирования на полуавтоматическом, а при оборудовании ее соответствующей аппаратурой - на автоматическом режиме нагнетания. Время отверждения регулируется путем изменения производительности кислотного насоса без остановки процесса ивгектировааия.Данная установка повышает производительность труда и безопасность работ,так как отверждающий раствор находится только в коммуникациях, расположенных после смесителя.

Оборудование для приготовления растворов комплектуется в зависимости от иринятой технологии инъектирования. Обычно исходные растворы смолы и отвердителя приготовляют на поверхности в раотво: мешалках больших объемов типа СМ-2438 или барбатированлем в емкостях, а в забой подают готовые ингредиенты в необходимых количествах, где их дозируют и нагнетают по одно- или дг/храстворяой системе инъектирования. Растворный узел комплектуется мешалкам* н мер ними емкостями. Ориентировочные данные но оборудованию приведены щ

f?

ШОТЫ, растворомешалки и расходные емкости объемом I ы³ скальп.; мерными ртеклаша, а перемешивание в ьшх осуществляется цонтроб^--тьт. насосами типа K-8/I8 или К-8/30,которые используются и для перекачки ингрвдаонз^в. Кроме перечисленного оборудования, в инъекционный комплекс входят вспомогательное оборудование-для.перевозки и хранения кислот. ( табл. 4.5 ), резиновые рукава ншюрнне (ГОСТы 18698-79, 10362-76), трубы стальные бесшовные горячеде^рмирован -ныв (ГОСТы 8732-78, 9567-75, 8731-74), вентили валорные двафрагмо-шз (футерованные) чугунные (1"0ОТ 24095-80), вентили запорные иуф-тоше латунные (ГОСТ 9036-74), краны пробковые (ГОСТ 27042-77).манометры 0НЛ-1-1СКМ0(60) (ГОСТ 2405-80).

Манометры на магистралях о твердеющими и агрессивными растворами подсоединяют через предохранительные устройства (рис.4.3). Напорные трубопроводы в местах присоединения к смесителю снабжаются обратными клапанами. Смеситель представляет собой полую трубу,где.потоки двух растворов направлены навстречу друг другу (рис.4.4),способен обеспечивать качеот-венное перемешивание ингредиентов при расходе от О до 15*1(Г^м³/о И давлении до 3 МПа.

I. ОБЩЕ ПОЛОШИЛ

Строительство горннх предприятий в олоданх горно-геологических условиях требует проведения специальных мероприятий, направлашшх ва предотвращение прорывов вода или различенной кассы порода з торные выработки. По способу воздействия на систему порода-вода все специальные мероприятия подразделяются на три вида: механические, физико-химические, термические.

Настоящее техническое описание включает только химический способ закрепления пород. Око предназначено для использования при проектировании и производстве работ по проходке горизонтальных горных выработок в песках о помощью химического способа закрепления. Отдельные элементы технологии, узлы оборудования, оснастки и составы растворов мохут быть применены для закрепления песков при проходке наклонных и вертшсальных выработок, уплотнения мелкотрещиноватых и пористых пород к последующего тампопаза.

Разработкой технологии закрепления пород химическими растворами занимаются институты НИИ ОСП, Ш01ЕМ, ШИИТ им.Веденеева,ИЗД км. А.А. Скочзшского, ЦНИИС, ЕШЖЖС, Тульский политехнический ипстк-тут, МГй.МГУ, ПНИУИ, ДонУШ, ДШ им. Артема и др. Способ подучил широкую¹ промышленную проверку На объектах комбината Крявбассшахто-проходка, Таврического ГОКа, треста Гвдроспецстрсй, Московского метростроя и др.

Работы по совершенствованию химического способа закрепления горных пород широко ведутся за рубежом: во Франции - фирмами "Сбде-танш" и "Иобель-Бозель", в США - "Прешер граут кодаани "."Америкен Цианамид Кбмпшш", "Алкаляв" и "Пенетрил систем", в Япошш - "бульдозер Кодз Компани" и "Кокэн Боринг Машин", в ФРГ - "Монтанбюро" и др.

В отечественной и зарубежной практике для закрепления ксполь -зуются синтетические материалы, получаемые в результате поликонденсации двух простых веществ или путем полимеризации. Наиболее распространенные из них - карбамидные, фенолфоршшдегндные.фура-вовые, сланцевые, полиэфирные, эпоксидные смолы, полиуретаны, акрилаты, полиэфиры метакриловой кислоты, латексы, хромдигнины l др. [1,7,11,12] .

Закрепление пород из забоя выработки осуществляют методам rate-ктировшшя, включающим следующие основные вхдн работ:

бурение инъекционных скважин по 8абою выработки;

выбор рецептуры н приготовление закрепляющего раствора а соответствии с геолого-шноралотеским ооотааом пород а гормстехха-

3

Рно.4.4. Смеситель для двугкомпонентннт закрепляющих растворов: I - ойратннЗ клапан; 2 - корпус смесители

чеотшмя условзюш;

)ш>ехтировштяа растворов в скважин»;

прохсдха и    внрхботнн    в вакрдплсгячх породах.

Цолы? хяшн: гидто г^кро;/л^г--'т .црд тгрохсдая горних выработок яв- ■ дяетея обесяоятчге рог: <‘ж;^от* .a ведрасдрот    по

род.

Способ,отлячвскогон8звраплйтг.^ч хотт пригоняться'в судах и во-донас^ояянх по спад. с    ''.том    фильтрами    0,3-80 м/еут, Папорн

подэегжх вод я? донгяч яр'^;Г’глт1> 0/3 Температура воздуха, от +40 до -?.0°С, горных перед ox '+00 до 0'^J0. Глубина додаяия работ до 150 м, ‘.диаметр выработок в прохода^ {йзабслшйЗ) 5,5 м,шюад^. до^ пврвчяого. евченяя выработок до. 20'^: «А

2. Щ^Е/АШ ЯДЯ ХИ^'ГП;;СК0Г0 зжшш гшеков

Материалу* дня XT':',да некого закрешшния долети - быть нотокскхнтш шш •обладать мглой гонохчностья в растворе в. поджаро, возводящей обесчесть ош*ятар;*де хорх^гн хп^ работе с нлзми; водор&створйт&ш; обеенячнзагь достало^^-дролноогь ж водтещюпшхтыое^ь ■ жшмера г вахрлдхеакой породы.' стух трес5онжхя дгатуитоя условия» проходки к проеетркваднд горизонтальная гокшх'ачравбток.

Веяоневдуе^яэ хгезизэдю' раствори для дрэдвазжтвлького- йакрен-«еяня песков прк дрохедав горних выработок приведши* в табл. 2Л.

Выбор раствора и технологии закрепления зависят от фильтрацией-них свойств к минералогического ооотааа горшее пород, а такие о? горнотехнических условий проходки горних выработок.

б

В песках с коэффициентом фильтрация от 2 до 80 м/сут при стати-песком давлении подзептой вода не болей ОД МПа можно применять способ ддухраствсрчой сз^лзисаглзоции (жвдкоо стекло с хлористым кальцием), Радиус закрезтленая при этом способе 0,3-1 м, Предел прочности закрепленных песков при одноосном сжатии составляет 2-4 МПа.

Для слабопроницаемых пород применяют одкорастворный способ сй-лнтатизации, обеспечивающий прочность закреплэшшх пород порядка 0,2 МПа. Существенным преимуществом этого способа является возможность отверждения раствора в кислой и щелочной следах. Использование для отверждения жидкого отекла кремнефтористой кислоты позволяет повысить прочность закрепления до 2,4 МПа.

В водонаешценннх породах с указанным коэффициентом фильтрации можно использовать растворы карбамидных смол, обеспечивание прочность закреплепш до 7 Ша и высокую фильтрационную устойчивость закрепленных пород, что позволяет применять способ химического закрепления в песках с напорамй подзет-ашх всД до 0,3 МПа,

Существенным недостатком составов т основе карбшлидннх смол является выделение в воздух токсичного свободного формальдегида из олигомера при икъектировании и из полимера при проходке. Б водо-наездеюздх породах он растворяется в воде, через водоотлив транспортируется на поверхность.

В технит^о-зкопомичеоком отношении целесообразно закрепление песков вести по комбинированной схеме, когда в массив за контуром выработки ннъектируют раствор карбамидной смолы для обеспечения высокой прочности, а в контуре выработки пески закрепляют силикатизацией [16] ,

Требуемые фкзкко-механические свойства закрепленных пород зависят от рациональной толщины ограждения и длины проходческой ааход-ки £8,14,16] . Подбор закрепляющих составов, обеспечивающих эти свойства, производят на основе опытного закрепления или лабораторных исследований, которые требуют специального стендового и регистрационного оборудования. Методика этих исследований и способы использования результатов приведены в источниках [1,4,7,11,12] . В связи с тем, что проведение исследований и интерпретация получаемых результатов требуют определенной научной подготовки,эти работы должны выполняться в специализированных научно-исследовательских лабораториях,и поэтому методика их выполнения в донном техническом описании не приводится.

Методики проведения анализов, необходимых при выполнении работ в производственных условиях, приведены в приложении. Технические условия и стоимость ссноотгх материалов для химического эакрепле-6

лыюсть иньектироваЕия. В зависимости от структуры закрепленного массива, прочности закрепленных пород и толщины ограждения разрабатывается технология проходки и крепления горных выработок.Выбор рациональной длины проходческой эаходки обеспечивает максимальную скорость сооружения выработки. В зависимости от прочности закрепленных пород, реологических характеристик и Толщины ограждения

где а - принимаемая толщина ограждениям; Л,- внешний радиус ограждения,м; Я,- ред.-тус выработки в проходке,м, длина проходческой 8входки по аналогии с расчетом ледопородных ограждений С⁵» 8 3 определяется из выпакения     L_

(3.1)

где h - длила проходческой заходкн, м; т - коэффициент упрочнения закрепленного песка; н - коэффициент замещения отравления иа торцах заходкн, прнкгалаемый равным 2 при жестком защемления обоих концов; А (4)- модуль деформации, МПа; л - допустимая величина деформации стенок выработки в радиальном направлении,!!; Р -горное давление, МПа.

Метод расчета заключается в определении такой толщина ограждения, при которой сколь угодно малое увеличение внешней радиальной нагрузки приводит к нарушению предельного равновесия ограждения.

Допустимые деформации определяют экспериментальным путем на физических моделях. Например, для выработок диаметром 5 м при длине заходки до 5 м в средне- и мелкозернистых песках, закрепленных растворами карбамидных смол плотностью 1150 кг/м¹, среднее значение предельно допустимых радиальных смещений Л внутреннего контуру ограждения определяют по графику (рис.3.1), где приведена облает* допустимых смещений (на графике заштрихована) между разрушающим* я установившимися величинами смещений. Реологические характеристики получены при испытании образцов на сжатие и для указанных ко мпозиплй из диаграммы зависимости деформаций 6 от напряжения б_ек , выполненной в логарифмическом масштабе (рио.3.2), составляют Л *0,49, a Л(4) =8,36 МПа.

Для песков, закрепленпых однорастворной силикатизацией кромке-фгористой рецептуры, эти характеристики составляют прочность на сжатие 6ем *1,55 МПа, коэффициент упрочнения т =0,38 и коэффициент деформация    Л(4)~ 1,88 Ш1а.

По исходный свойствам эпкроплонннх песков, задаваясь длиной за-

Рве. 3.1. Величины допустимых смещений стенок выработки при различной длине проходческой ааходка

Ы<з 5

4

J

г

9

ходки h , определят впеишкй радиус ограждения или наоборот.

При необходимости толщину ограждения проверят по остаточной фильтрации воды, которая не додала превышать нормативную величину

где сГ - толщина огр&адешя, м; К₉ « коэффициент фильтрация закрепленных пород, м/сут$ S - гидростатический напор,измеряемый высотой водяного столба, и; Q_H - нормативный приток в выработку, м³/ч.

В зависимости от принятой толщины ограждения определят радиус закрепления и расстояние между иньокцяонньш окважинает, количество рядов, расстояние между радами скважин, глубину гос и угол наклона к оси выработки.

Радиус распространения закроотящего раствора вокруг одиночной инъекционной сквводни определяют в рабочем проекте на основании опытных данных, а в техническом - по формуле

я - V /-^1- ■    м-э>

где Я - радиус распространения раствора, щ    - вязкость воды

и раствора, Па-с; Рн - давление нагнетания, измеряемое высотой во дяного столба, м; t* - время нагнетания, с; fi - коэффициент заполнения пор закрепляющим раствором, равный 0,9; п - коэффициент пористости песков; К‘ - приведенный коэффициент фильтрации,м/с.

Для инженерных расчетов при закреплении кварцевых песков растворами карбамщцих смол принимают

к'^ш о,Я К<р ,

где К? - исход?дай коэффициент фильтрации, м/с.

радиус распространения Я ,кяк правило, превышает радиус закрепления песка P-s . iix отношение характеризуется коэффициентом зад реплеювя /< ₃ , который обычно принимают равным 0,7-0,9, Если Я₃ по лучится^больше 70$ требуемой толщины ограждения, можно принимать ojj порядное расположение инъекционных скваяип, если меньше - многорядт ное.

Расстояние между инфекционными скважина»® определяют по форму.

ле

I -    ~о,0?ЛЛ    _t

1

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ВАКРШЕНИЯ ПОРОД И ПРОХОДКИ ВЫРАБОТОК

Предварительное закрепление несвязных пород обеспечивает безопасную проходку горных выработок. Надежность работы ограждения из хн-мичеоки закрепленных пород зависит от прочности, сплошности и равномерности закрепления, а также от достоверности исходных данных для расчета технологических параметров проходки выработок в закрепленных породах.

Црй химическом закреплении песков ооноышми технологическими периметрами являются: радиус закрепления и расстояние между скваыыд-ш, длина инъекционной заходки, давлвпие нагнетание я арсн9вох«?е ’

7