CC BY
38
СЕМИНАР 7
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2000 г.
^ © В.Н. Калмыков, М.В. РыльнИйова, Р.Ш. Маннанов, Е.А. Емельяненко, 2001
х \ ч\
УДК 622.28
В.Н. Калмыков, М.В. Рыльникова,
Р.Ш. Маннанов, Е.А. Емельяненко
ИЗЫСКАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫРАБОТОК В МЕТАСОМАТИЧЕСКИ ИЗМЕНЕННЫХ ПОРОДАХ
Проблема обеспечения устойчивости выработок в ослабленных метасоматически измененных породах весьма остро стоит практически на всех рудниках, осваивающих медноколчеданные месторождения Урала: Сибайское, Гайское, Учалинское, Октябрьское и др. Мета-соматиты, имеющие достаточно высокие прочностные характеристики в массиве (коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову 8-16), при обнажении подземными выработками под действием шахтной атмосферы и подземных вод подвергаются быстрому выветриванию, набухают при насыщении водой и полностью теряют устойчивость. С увеличением глубины подземных работ и площади отработки рудных тел повышается естественная и техногенная трещиноватость пород, растут силы горного давления. Поэтому актуальность проблемы изыскания новых нетрадиционных решений по обеспечению устойчивости выработок в ослабленных метасоматически измененных породах в динамике развития горных работ будет расти.
Обследования состояния выработок, пройденных по метасома-титам, на рудниках Учалинского ГОКа показало, что на Узельгин-ском руднике, где очистные рабо-
Рис. 1. Гистограмма развития за-колобразований (обрушений)
ты ведутся на глубинах 500640 м, проблема вывалообра-зования и нарушения устойчивости обнажений связана с активным проявлением горного давления, с воздействием взрывных работ и, как следствие, с интенсивным деформированием массива и обрушением пород непосредственно вслед за проходкой. В 80 % случаях обрушения произошли на участках, имеющих удаление до 20-25 м от забоя, в основном в кровле и в верхней части стенок выработок. Причем объем вывалообразований интенсивно увеличивается во времени.
На Учалинском подземном руднике нарушения по закрепленным выработкам проявляются в виде шелушения, заколообразования, вывалооб-разования с обыгрыванием штанг. При этом развитие заколообразований в выработках, пройденных по метасоматитам, начинается в среднем после месяца стояния пород в обнаженном состоянии и процесс вывалообразования интенсивно развивается во времени (рис. 1).
Анализ горно-геологических условий и состояния выработок показал, что на устойчивость обнажений оказывают влияние одновременное воздействие шахтной атмосферы и влажности пород, наличие систем трещин крутого падения и состав заполнителя, наличие слюдянистых материалов по контакту поверхностей скольжения. В наибольшей степени влияют интенсивность тре-
Интенсивность заколообразования во времени
300
250
200
150
100
50
07,03,99 06,04,99
30 дней
15,04,99 20,04,99 24,05,99
40 дней 45 дней 70 дней Время наблюдений
0
щиноватости и состояние поверхностей трещин, их раскрытие. При коэффициенте крепости пород в массиве более 6, интенсивности трещиноватости до 10 трещин на 1 м массива, раскрытии менее 3 мм, заполнении трещин раздробленной породой и глинкой трения, выработки сохраняют устойчивость обнажений в течение 1-2 месяцев. Увеличение интенсивности трещин и появление заполнителя в виде слюды, каолина, серицита приводят к более раннему появлению нарушений в течение 0,5 месяца.
Разрушения в закрепленных анкерами выработках происходит в виде заколообразования и вывалообразования с обыгрыванием штанг. Значительно возрастает объем работ по уборке горной массы, забутовке, креплению и ремонту выработок. Несмотря на постоянное совершенствование конструкции и параметров крепи, технологии ее возведения, процесс крепления остается наиболее дорогостоящим и трудоемким и связан с наибольшей опасностью производства работ. Поэтому необходимо эффективное решение вопроса крепления и управления свойствами пород для обеспечения устойчивости выработок, пройденных по метасоматитам.
В результате технологического орошения массива метасоматитов водой и постепенного его водонасыщения, происходит гидратация алюмосиликатов, распад их на мелкодисперсные коллоидные системы, не имеющие кристаллической структуры. Коэффициент крепости снижается от 10-16 в массиве до 2-5 после стояния в обнаженном состоянии. Породы увеличиваются в объеме, приобретают пластичность, возникают плоскости скольжения, теряется сцепление, процесс вывалообразования нарастает во времени. В период стояния выработок процесс сводообразования продолжается, высота подъема свода растет. Явление делактации метасоматитов при насыщении водой определяет возрастающее во времени давление на
крепь выработок и приводит к ее нарушению. Кислотная среда подземных вод повышает интенсивность этого процесса.
С целью изучения и проведения исследований физико-механических свойств горных пород, представленных слабыми, неустойчивыми мета-соматитами на рудниках УГОКа были отобраны образцы вмещающих пород (табл. 1, 2).
Образцы, отобранные для исследований, характеризуются различными минералогическим, петрографическим и химическим составами, имеют различные текстуру, структуру степень метасоматоза, что объясняет существенные различия физико-механических свойств.
При выборе способа крепления необходимо учитывать степень метасоматической измененно-сти пород. По результатам петрографических исследований метасоматиты были классифицированы на три категории (группы): весьма, значительно и частично измененные породы. Такое разделение обеспечивает дифференциальный подход к управлению свойствами пород с различной степенью метасоматоза.
Исследования показали, что для сравнительно крепких, частично измененных метасоматитов с коэффициентом крепости по шкале проф. Прото-дьяконова выше 8, замедление процесса дальнейшего расслоения и трещинообразования обеспечивается созданием газо-водоизолирующего покрытия непосредственно вслед за подвиганием забоя. Для значительно измененных метасомати-тов с коэффициентом крепости 5-8 рекомендуется комбинированная крепь из газоводоизолирующего покрытия стенок выработок в сочетании с анкерной крепью. В том и другом случае нанесение гидроизолирующего слоя непосредственно вслед за подвиганием забоя позволит значительно снизить горное давление на крепь, ограничить распространение процесса выветривания и расслоения
Таблица 1
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАСОМАТИЧЕСКИ ИЗМЕНЕННЫХ ПОРОД МЕСТОРОЖДЕНИЙ УЧАЛИНСКОГО ГОКА И ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
№ груп пы Степень ме-тасома-тоза Характеристика минералогического состава № про- бы 1* № про- бы 2** Прочность на сжатие 01, МПа Крепость пород по Протодья-конову, f Водо- погло- щение, % Коэф-нт устойчивости по Булычеву Н.С. Прочность во-донас обр 02, МПа Коэффици-ент размягча-емости породы
I Весьма измененные Кварц- серицит- тальково- хлзриговыг 12. 43,4 3 1,82 0,40 26,9 0,62
10. - 44,8 3 2,51 0,70 29,1 0,65
9. - 65,8 5 2,50 0,50 46,7 0,71
11. - 65,9 5 2,67 0,50 45,5 0,69
Среднее значение 54,9 4 2,375 0,525 37,05 0,667
II Значительно измененные Тальково- хлорит- серицит- кварцевые 2. 1. 84 6 1,50 1,30 60,5 0,72
4. 2. 103,6 7 1,71 1,10 75,6 0,73
14. 7. 106,4 8 1,86 1,20 78,7 0,74
Среднее значение 98 7 1,69 1,2 71,6 0,73
III Частично измененные Серицит- хлорит- кварцевые 13. 4. 140 10 1,54 2,60 109,2 0,78
3. 8. 154 11 1,60 1,10 123,2 0,80
5. 5. 162,4 12 1,91 1,20 136,4 0,84
1. 14. 172,2 12 1,31 1,70 136,0 0,79
8. 11. 175 13 1,27 1,30 148,8 0,85
7. 12. 182 13 0,91 1,90 151,1 0,83
Среднее значение 164,3 12 1,43 1,63 134,1 0,815
*.1 - штуфные образцы Учалинского месторождения; **.2 - штуфные образцы Узельгинского месторождения ***. Коэффициент размягчаемости - уменьшение прочности пород при насыщении ее водой. Слаборазмягчаемы-ми считаются породы, для которых ^>0,75. Для крепких пород значение ^ приближается к единице
вышележащих слоев и предотвратить снижение прочностных характеристик метасоматически
измененных пород.
Для гидроизоляционного покрытия была исследована возможность создания бетона, модифицированного различными химическими добавками, придающими составу газо-водонепроницаемость и устойчивость в агрессивной среде.
В исследованиях по созданию модифицированных бетонных смесей использовались дисперсные порошки «МоуеШЬ Ри1уег» - тонкие ре-дисперсионные синтетические сополимеры на базе: винилацетат/этилена - порошки марки DM-117Р, DM-1140P; винилацетат/ винилового эфира версатиковой кислоты/акрилата --порошок марки DM-2072P.
Введенные в бетонный раствор дисперсные порошки редиспергируют в воде, образуя при этом клеевую полимерную дисперсию, которая при отверждении создает «резиновые мостики» в его порах и на границах с основой. Благодаря удачному сочетанию различных физико-механичес-ких свойств термопластов, небольшая добавка в строительные растворы таких порошков придает этим растворам эластичность во время нанесения, повышенную адгезию к различным поверхностям, большую пластичность и прочность на изгиб.
Механизм взаимодействия пород с модифицированной крепью заключается в следующем. Полимеры, добавленные в состав бетонной смеси, равномерно распределяются, образуя гибкие полимерные структуры с цементным камнем и породой и создавая при этом герметизирующий эффект. Дополнительную герметизацию приобретают полимербетонные композиции под действием водной среды. Полимерные частицы при контакте с жидкими средами разбухают, закрывая собой имеющиеся капилляры, вытесняют воду, что способствует созданию более плотной структуры бетона. Поверхность метасоматиче-ских пород, имеющие повышенную гидрофоб-ность, впитывает в себя из свеженанесенного покрытия набрызгбетона полимерную эмульсию, что приводит к монолитному сцеплению крепи с горными породами.
Анализ результатов исследования показал, что набор прочности полимербетонной композиции в значительной мере зависит от влажности. Оптимальные результаты были получены при твердении образцов в нормально-влажных условиях. Испытаниями установлено, что прочность дан-
ных образцов в среднем в 1,4 раза выше прочности образцов, твердевших в воздушно-сухих условиях. Последнее важно в условиях формирования набрызгбетонных крепей в обводненных подземных выработках.
С увеличением процента содержания дисперсионного порошка в бетонном составе капиллярная структура полимербетона становится более тонкой, поэтому он практически не поглощает воду. Максимальные результаты по подбору прочности получены при использовании порошка марки DM-2072P в количестве 2 % от массы цемента. Прочность водонасыщенных образцов, содержащих добавку DM-2072P в количестве 2 % от массы цемента, составила 13,88 МПа, что 2,2 раза выше по сравнению с контрольным образцом. Следует отметить, что добавка полимера DM 117Р в количестве 0,5 % от массы цемента, уже на 7 сутки обеспечивает набор прочности во влажных условиях 5 МПа, а на 28 сутки - 15,8 МПа.
По данным статистической обработки результатов исследования установлены корреляционные зависимости для каждого типа добавок между прочностью на сжатие, количественным содержанием добавки и скоростью распространения ультразвуковой волны в образце, аппроксимируемых уравнениями при коэффициенте детерминации соответственно Кд=0,96;0,99;0,98:
Для полимера DM 117Р ссж = 0,0029 е(2,481С^ -0,91сд);
Для полимера DM 2072Р ссж = 0,0024 г^’5Ср + 0,351с^);
Для полимера DM 1140Р ссж = 0,066 -0Д58^),
где ссж - прочность модифицированного набрыз-гбетона на сжатие, МПа; СР - скорость распространения продольной ультразвуковой волны, км/с; сд - содержание добавки от массы цемента, %.
Результаты испытаний сцепления полимербе-тонного камня с влажными метасоматически измененными породами приведены в табл. 3.
Более пластичный полимербетонный состав имеет показатели сцепления с породами в среднем в 2 раза выше, чем обычный набрызгбетон. Так, сцепление немодифицированного набрыз-гбетона на 28 сутки в среднем составляет 1,5 МПа, а включающий модификаторы - 3,8 МПа.
Опытно-промышленные испытания по использованию дисперсионных модификаторов набрызгбетонной смеси проведенные в условиях Узельгинского рудника в выработках, пройденных по измененным липаритовым порфирам, показали, что прочность на сжатие у модифицированных набрызгбетонов больше контрольного на 50-60 %; адгезия соответственно выше в 1,5-2,0 раза (табл. 4). Наибольшие значения по прочности наблюдаются у набрыз-гбетона с добавками марок УВМ 2072Р и УВМ 1140Р в количестве 2 % от массы цемента; по адгезии - УВМ 1140Р (2 %) и VDM 117Р (0,5 %). Следует отметить, что введение 0,5 % от массы цемента порошка VDM-117P повышает прочность в 1,5 раза, а адгезию набрызгбетона в 2 раза, что имеет весьма существенное значение при оценке экономической эффективности использования модификаторов бетона. Иссле-
дования подтвердили высокие эксплуатационные характеристики измененного набрызгбето-на и устойчивость к сейсмическому воздействию взрывных работ. В процессе эксплуатации выработок не было зафиксировано значительных разрушений и расслоений крепи.
При промышленных испытаниях анкерной крепи решался также вопрос о целесообразности введения добавок в водно-цементную смесь, используемую при анкеровании метасоматически измененных пород.
Определение несущей способности анкеров, модифицированных дисперсионными порошками, производилось по истечении 3, 5, 20, 22, 24 часов после их установки с помощью штанговы-дергивателя.
График изменения несущей способности представлен на рис. 2.
Таблица 3
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ АДГЕЗИИ МЕТАСОМАТИТОВ С ПОЛИМЕРЦЕМЕНТНЫМ КАМНЕМ
Степень метасоматоза Минералогический состав метасоматитов Адгезия полимербетонного состава на 28 сутки, МПа Адгезия бетонного состава на 28 сутки, МПа
Весьма измененные Кварц-серицит-тальково- хлоритовые 2,56 1,22
2,37 1,26
3,89 1,85
3,91 1,86
Значительно измененные Т альково-хлорит-серицит-кварцевые 2,40 0,75
2,09 1,16
5,34 3,00
Частично измененные Серицит-хлорит-кварцевые 4,05 2,40
4,19 2,48
4,42 2,51
4,62 2,60
4,44 2,47
6,17 2,68
Таблица 4
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАБРЫЗГ-БЕТОННОЙ КРЕПИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ
Конт- рольный образец Образцы с добавками порошков различных марок в процентах от массы цемента по истечении суток
УБМ- 2072Р, 2% УБМ- 117Р, 2% УБМ-117Р, 0,5% УБМ-1140Р, 2%
30 90 30 90 30 90 30 90 30 90
Прочность на сжатие, МПа 3,31 4,51 5,27 6,34 3,41 4,86 4,87 6,73 5,37 7,38
Коэффициент увеличения 1,59 1,41 1,03 1,08 1,47 1,49 1,62 1,64
Адгезия, МПа 2,64 3,75 4,32 7,68 3,9 7,6/11* 5,4 9,2 5,48 7,88
Коэффициент увеличения 1,64 2,05 1,48 2,03/ 2,93 2,0 2,46 2,1 2,1
* числитель - по сухому участку, знаменатель - по влажному участку
Анализ графика показывает, что набор несущей способности модифицированной анкерной крепи происходит намного быстрее, чем у штанг базового варианта. Средний коэффициент увеличения в первые часы равен двум. Наибольшую несущую способность показала анкерная крепь с использованием модификатора DM 2072Р, увеличение значений через 24 часа после установки по сравнению с базовым вариантом составило 36 %. Для модификаторов DM 1140 и DM 117 соответственно 30 % и 11 %. Контрольный анкер начинал набирать прочность по истечении 8 часов после установки. Анкерная крепь, включающая модифицирующие добавки, через 5 часов после установки обеспечила несущую способность 8 КН при добавке DM 2072Р в коли-
честве 2 % от массы цемента и 5 КН при добавке DM 117Р в количестве 0,5 % от массы цемента.
Введение в цементный раствор полимерных модификаторов бетона позволяет существенно повысить несущую способность анкера, особенно в первые часы набора прочности. Это особенно важно с технологической точки зрения. Ускорение процесса схватывания раствора, рост прочности бетона позволит сократить интервал времени между креплением и взрывными работами, и тем самым уменьшить деформации контура выработки, степень раскрытия трещин.
Таким образом, разработанные способы управления состоянием метасоматически измененных пород прошли опытно-промыш-ленную проверку на рудниках Учалинского ГОКа и подтвердили целесообразность использования модифицированного на-брызгбетона при креплении выработок, пройденных по ослабленным породам. Использование разрабатываемых технологий управлений свойствами метасоматитов, имеющих
Рис. 2. График изменения во времени несущей способности анкеров с использованием модифицирующих дисперсионных добавок в цементном растворе
+ добавка 1140
■ ■К" добавка 2072
—•—добавка 117
Время замеров, час
различную степень метасоматоза, позволит во- дений с обеспечением требуемой безопасности
влечь в эффективную разработку труднодос- горных работ, снизить аварийность и травма-
тупные участки медно-колчеданных месторож- тизм на предприятиях цветной металлургии.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Рыльникова М.В., Рыльникова М.В., Маннанов Р.Ш., Е.А. Емельяненко - Магнитогорский государственный технический университет.
Таблица 2
ХАРАКТЕРИСТИКА СТРУКТУРЫ И ТЕКСТУРЫ МЕТАСОМАТИЧЕСКИ ИЗМЕНЕННЫХ ПОРОД МЕСТОРОЖДЕНИЙ УЧАЛИНСКОГО ГОКА______________________________
№ груп- пы Степень метасоматоза Характеристика минералогического состава Структура Текстура Состояние плоскостей трещин Ориентация трещин
I Весьма измененные Кварц-серицит- тальково-хлоритовые Мелко- зернистая Слан- цеватая Плоскости трещин неровные, карбонизированы Трещины параллельной слоистости
II Значительно измененные Тальково-хлорит- серицит-кварцевые Мелко- зернистая Мас- сивная Плоскости трещин неровные, занозистые, карбонатизирова-ны, гематизированы Трещины разноориенти-рованы
Ш Частично измененные Серицит-хлорит- кварцевые Мелко- зернистая Мас- сивная Плоскости трещин неровные, занозистые, карбонизированы, гематизированы Трещины разноориенти-рованы, параллельной слоистости
