CC BY
28
СЕМИНАР <8
ДОКЛАД і НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ і ГОРНЯК; МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 года
^ М.В. Рыльникова, Е.А. Емельяненко, Р.Ш. Маннанов, А.А. Иванов,: :
- - - - А.В. : Сараскин, 2000 :
УДК 622.831.31
М.В. Рыльникова, Е.А. Емельяненко,
Р.Ш. Маннанов, А.А. Иванов, А.В. Сараскин
ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ СВОЙСТВАМИ МЕТАСОМАТИЧЕСКИ ИЗМЕНЕННЫ) ПОРОД МЕДНОКОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
4! ПОРОД МЕДН
I" I роблемы4 обеспечения*
ЖДЕН
[х'шганг,
устойчиво-
крепь из железобетонных
сти выработок в ослабленных метасоматически измененных породах являются наиболее трудно решаемыми задачами при строительстве и эксплуатации горного предприятия. Особенно остро они стоят на медноколчеданных месторождениях Урала: Сибайском, Узельгинском, Гайском, Учалинском, Бурибаевском, где руды и вмещающие породы претерпели метаморфизм зеленосланцевой фации [1]. При обнажении подземными выработками метасоматически измененные породы, имеющие в массиве достаточно высокие прочностные характеристики, под действием шахтной атмосферы и подземных вод подвергаются быстрому выветриванию, набухают при насыщении водой и полностью теряют собственную устойчивость.
Результаты обследования выработок на Учалинском подземном руднике показали, что наибольшее количество вывалов приурочено к метасома-титам, причем объемы вывалов увеличиваются по мере стояния выработок. Наблюдения за выработками, пройденными по метасоматически измененным породам, выявили, что они устойчивы в течение месяца. Через два-три месяца образуются заколы размерами до 10-15 см. Заколообразо-вание и вывалы развиваются в течение полугода, обрушение кровли происходит в виде куполов. Это резко увеличивает объем и трудоемкость проходческих работ, а также затрат на крепление и ремонт выработок.
Для предотвращения обрушения выработок, пройденных по метасомати-там, используют комбинированную
лической сетки и набрызгбетона. Однако нарушение крепи, отслоение ее от пород кровли и значительные разрушения пород свидетельствует о том, что эта крепь не решает проблемы обеспечения устойчивости выработок и не предотвращает процесс развития деформаций. Причем, даже возведение капитальной железобетонной крепи на Сибайском подземном руднике не решает вопроса обеспечения устойчивости выработок. Набухание метасо-матитов при насыщении водой, контакте с шахтной атмосферой создает дополнительное давление на крепь. В результате после 2 - 3 лет стояния выработок происходит разрушение крепи и требуется проведение капитального ремонта. Поэтому эффективное решение вопроса крепления и управления свойствами пород имеет особое значение для выработок, пройденных по метасомати-там.
Изучение метасоматически измененных пород и разработка методов управления их свойствами проводилось для условий Учалинского месторождения. Анализ горно-геологических условий месторождения и состояния выработок, пройденных по метасоматитам, показал, что большое влияние на устойчивость выработок оказывают влажность пород, системы трещин крутого падения. По характеру трещины изменяются от ровных, волнистых до неровных, занозистых. Ширина раскрытия трещин не превышает 3 мм и в среднем составляет 1,5-1,8 мм. Трещины заполнены различным материалом: карбонатной породой, полевым шпатом, гидроокис-
лами железа, серицитом, тальком. Интенсивность трещиноватости и материал, которым заполнены трещины, являются основными факторами, влияющими на устоичивость и характер обрушения кровли. Немаловажным фактором, влияющим на устойчивость породы, является также наличие многочисленных скрытых трещин, залеченных слюдистыми минералами, которые образуют поверхности скольжения.
По наблюдениям за выработками на горизонтах 200, 240, 300, 380 м Учалинского подземного рудника, установлено, что породные обнажения при крепости по Протодьяконову £>6 с двумя системами ровных, волнистых трещин при ширине раскрытия их менее 3 мм, заполненных измельченной породой или глиной, сохраняют устойчивость обнажений в течение 1,0 месяца. Увеличение числа систем трещин, их густоты, изменение типа заполнителя на каолинит, тальк, слюду, появление трещин с зеркалами скольжения приводит к неустойчивости обнажений и развитию деформаций в выработках через 0,5 месяца после проходки. Процесс интенсивного водонасыщения метасоматитов, пронизанных многочисленными капиллярными трещинами, провоцирует гидратацию водных алюмосиликатов - хлорита, серицита, серпентина, эпидота, монтмориллонита, иллита. При обнажении и в результате контакта с шахтным воздухом, подземными водами часть алюмосиликатов теряет сцепление и распадается на мелкодисперсные коллоидные системы, не имеющие кристаллической структуры. Породы, увеличиваясь в объеме, приобретают пластичность. Возникают плоскости скольжения, исчезает сцепление, динамика вы-валообразований нарастает во времени.
На основе выполненных петрографических исследований проб метасоматически измененных пород, отобранных на Учалинском подземном руднике, было установлено, что породы имеют разную степень метасоматоза. По степени изменения они были классифицированы на 3 группы: весьма, сильно и частично измененные (табл. 1). Породы первой группы представлены кварц-серицит-
тальково-хлоритовыми сланцами. Вторая группа имеет тальково-хлорит-серицит-кварцевый состав. Третья группа состоит из более крепких серицит-хлорит-кварцитов. В таблице 1 приведены физико-
механические свойства метасоматически измененных пород и степень их устойчивости во влажной среде. Характеристика структуры и текстуры пород соответствующих групп приведена в таблице 2.
Различные прочностные характеристики метасоматитов в массиве и резкое снижение их при обнажении и контакте с воздухом и водой предопределяют необходимость дифференцированного подхода к управлению свойствами пород с различной степенью метасоматоза.
Для сравнительно крепких частично измененных метасоматитов с коэффициентом крепости по шкале проф. Протодьяконова выше 8, прекращение дальнейшего расслоения и трещинообразования обеспечивается созданием газо-водоизолирующего покрытия непосредственно вслед за подвиганием забоя. Для сильно измененных метасоматитов с коэффициентом крепости 5-8 рекомендуется покрытие стенок выработок модифицированным бетоном в сочетании с анкерной крепью. Нанесение гидроизолирующего слоя позволит значительно снизить горное давление на крепь, ограничить распространение процесса выветривания и расслоения вышележащих слоев и предотвратить изменение свойств метасоматически измененных пород.
Для весьма измененных пород, которые легко распадаются на тонкие плитки, отличаются хрупкостью, легко крошатся и обрушаются при обнажении, коэффициент крепости составляет 2-4. Упрочнение этих пород может производиться химическим путем. Нами предложен способ инъек-тирования в породы химического композиционного состава с последующим нанесением на упрочненные породы газо-водоизолиру-ющего покрытия.
Анализ параметров структурной нарушенности массивов метасомати-тов позволяет прогнозировать достаточную фильтрацию растворов на
Рис. 1. Зависимость изменения прочности бетонов с различными добавками от времени: 1 - добавка «Мовилит VDM 618»- 10% от массы цемента; 2 - добавка силиката натрия с модулем т=2,5 при удельном весе 5=1,3 г/см3 и хлористого кальция 30%-ной концентрации 5=1,28 г/см3; 3 - добавка строительной эмульсии ПВА-М - 10% от массы цемента; 4 - добавка высокомолекулярного полимера ПАА- 10% от массы цемента
требуемую глубину укрепления. Опытно-промышленные испытания в шахтных условиях состава «Универсальный», приготовленного на основе отходов переработки каменноугольной смолы, показали возможность проникновения укрепляющего состава в гидротермально измененные породы на глубину до 3 м.
Химический анализ подземных вод Учалинского месторождения показал их агрессивность. В воде присутствуют анионы серной, хлорной, азотной, азотистой кислот, катионы натрия, калия, магния, кальция, а значение рН воды на разных горизонтах колеблется от 4,0 до 7,0. Поэтому помимо требований к бетону по прочности на растяжение и изгиб, упругости при деформировании, стойкости при ударных нагрузках, он должен быть устойчив в агрессивной среде.
Для гидроизоляционного покрытия была исследована принципиальная возможность создания бетона, модифицированного различными химическими добавками, придающими составу свойства газо - водонепроницаемости и устойчивости в агрессивной среде. В качестве добавок использовались: раствор силиката натрия с модульным числом т=2,5^3 и плотностью при температуре 18 С 1300 кг/м3 в сочетании с раствором хлористого кальция; раствор гомогенизированной поливинилацетатной дисперсии (ПВАД); строительная дисперсия «Мовилит VDM-618»; раствор высокомолекулярного полимера -ПАА.
Для изучения физико-
механических свойств бетонов различных составов изготавливались образцы кубической формы из цемента, диабазового песка крупностью 0^ 5мм, воды с модифицирующими добавками в различных процентных отношениях от веса цемента. Образцы помещались во влажные опилки, ко-
торые смачивались шахтной водой. Для контроля изменения физикомеханических свойств образцы ежедневно прозвучивались на приборе УК-14П для определения динамических характеристик и на 7-е сутки испытывались на прессе. Результаты исследований приведены на рис. 1.
Таблица 1
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАСОМАТИЧЕСКИ ИЗМЕНЕННЫХ ПОРОД И ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
№ группы Степень метасоматоза Характеристика минералогического состава № пробы Прочность на сжатие, МПа Крепость пород по Прото-дьяконову, f Водопог- лоще- ние,% Коэф. устойчивости по Булычеву Н.С. Прочность водонас. обр, МПа Коэф. остаточной прочности
I Весьма изме ненные Кварц- серицит- тальково- хлоритовые 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 Сильно из мененные Тальково-хлорит- -серицит кварцевые 2. 84 6 1,50 1,30 60,5 0,72
4. 103,6 7 1,71 1,10 75,6 0,73
14. 106,4 8 1,86 1,20 78,7 0,74
Среднее значение 98 7 1,69 1,2 71,6 0,73
ш Частично измененные Серицит- хлорит- кварцевые 13. 140 10 1,54 2,60 109,2 0,78
3. 154 11 1,60 1,10 123,2 0,80
5. 162,4 12 1,91 1,20 136,4 0,84
1. 172,2 12 1,31 1,70 136,0 0,79
8. 175 13 1,27 1,30 148,8 0,85
7 18? 13 0 91 1 90 151 1 0 83
Таблица 2
ХАРАКТЕРИСТИКА СТРУКТУРЫ И ТЕКСТУРЫ МЕТАСОМАТИЧЕСКИ ИЗМЕНЕННЫХ ПОРОД УЧАЛИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
№ группы Степень метасоматоза Характеристика минералогического состава Структура Тексту- ра Состояние плоскостей трещин Ориентация трещин
I Весьма измененные Кварц-серицит-тальково- хлоритовые Мелкозер- нистая Сланце- ватая Плоскости трещин неровные, карбонизированы Трещины параллельной слоистости
II Сильно измененные Тальково-хлорит-серицит- кварцевые Мелкозер- нистая Массив- ная Плоскости трещин неровные, занозистые, карбонатизированы, гематизированы Плоскости трещин неровные, занозистые, карбонизированы, ге-матизированы Трещины раз- ноориентиро- ваны
ш Частично измененные Серицит-хлорит- кварцевые Мелкозер- нистая Массив- ная Трещины раз-ноориентирова-ны, параллельной слоистости
Анализ практики горных и строительных работ показал, что наиболее широко применяются в настоящее время кислотостойкие цементы, которые получаются при смешивании заполнителя с силикатом натрия и ускорителем процесса схватывания и твердения - хлористым кальцием 30 %-ной концентрации плотностью 1280 кг/м3. Поэтому для создания модифицированной смеси использовался жидкий силикат натрия с модульным числом 2,5 и плотностью 1330 кг/м3 и 1250 кг/м3 [2]. Исследования показали, что цементно-силикатный камень, который упрочняется гелем кремниевой кислоты, приобретает свойства водонепроницаемости, устойчивости к агрессивной подземной среде в начальный период времени твер-дения в воздушно-сухих условиях, что в условиях шахты невыполнимо. Прочность во
влажной среде силикатного бетона минимальна (см. рис. 1, обр. 2).
В процессе исследований бетонов с высокомолекулярными полимерными добавками. были опробованы полимеры: поливинилацетатная дисперсия - ПВАД, строительная дисперсия «Мовилит УБМ-618» с мономерной основой стирол-акрилат, раствор высокомолекулярного амфотерного полимера- полиакриламида - ПАА [3]. Полимерные добавки обладают пластифицирующим действием и сообщают бетону такие качества, как упругость при деформировании и высокую стойкость при ударных нагружениях. Кроме того, частицы полимеров имеют свойства разбухать при контакте с жидкими средами, что обеспечивает дополнительную герметизацию бетонного покрытия. Для изучения адгезии
модифицированный различными добавками бетон наносился на влажные мета-соматические породы. Результаты испытаний приведены на рис. 2.
Результаты наблюдений показали, что лучшая адгезия с влажными породами обеспечивается у бетонных составов, модифицированных строительной дисперсией «Мовилит УЭМ-618» (см. рис. 2, линии 1, 6). Следовательно, модификация бетона строительной дисперсией «Мовилит УОМ-618» значительно улучшает его свойства, набор прочности происходит во влажной агрессивной среде, в то время как использование силиката натрия, поливинилацетатной дисперсии, раствора полиакриламида требует для твердения бетонного покрытия воздушно-сухих условий. Кроме того, добавка строительной дисперсии «Мовилит» к бетонному раствору при-
-обрі
Время замеров, сут
обр2 обрЗ —Ж—обр4 —•
дает свойства газо - водонепроницаемости. На исследуемых образцах приостановлено развитие процесса выветривания. Для подтверждения возможности укрепления метасоматитов 2 и 3 группы (см. табл. 1) бетоном, модифицированным строительной дисперсией «Мови-лит УОМ-618», планируется проведение опытно-промышленных испытаний в шахтных условиях.
Для укрепления весьма измененных метасоматитов был проведен комплекс исследований по подбору инъекционного состава. В результате рассмотрения ряда быстро полимеризующихся химических составов из числа вторичных продуктов химических, нефтехимических и коксохимических производств для испытаний в шахтных условиях метода укрепления массива путем пневмо-
инъекции предложена композиция «Универсальный» [4].
Проведенные опытно-про-
мышленные испытания состава «Универсальный» в подземных выработках гор. 300 и 380 м Учалинского рудника показали его достаточную проникающую способность и быструю полимеризацию с собственными высокими механическими свойствами. Однако, повышенная гидрофобность состава «Универсальный», которая придает ему потребительские качества в воздушно-сухих условиях, играет отрицательную роль во влажной шахтной атмосфере. У предложенного состава полностью отсутствует адгезия к влажным породам.
Анализ опыта различных горных предприятий по укреплению слабых
Рис. 2. Влияние времени на изменение адгезии модифицированных бетонных составов с метасоматически измененными породами: 1 - с добавкой «Мовилит УБМ-618» - 10% от состава цемента; 2 -с добавкой силиката натрия с 5=1,33г/см3 и т=2,5 хлористого кальция; 3 - с добавкой силиката натрия с 5=1,25г/см3 и хлористого кальция; 4 - с добавкой ПВАД; 5- с добавкой ПАА; 6 - с добавкой «Мовилит УБМ-618» - 5% от массы цемента
трещиноватых пород показал, что для этих целей возможно применение синтетических смол. Рассмотрена и рекомендована к опытно-
промышленному испытанию технология смолоинъекции с использованием карбамидной смолы, модифицированной для улучшения технологических и физико-механических свойств полиизоцианатами. В качестве отвердите-лей, при проведении опытнопромышленных испытаний, предлагаются к опробованию щавелевая кислота и гидрат хлорного железа [5].
Все разработанные способы управления состоянием метасоматитов в настоящее время проходят опытнопромышленную проверку в условиях Учалинского и Узельгинского рудника.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Курс рудных месторождений: Учебник для вузов/Ред. Академик В.М. Смирнов - М.: Недра, 1986.
2. Чупрунов Г.Д. Основы упрочнения горных пород. -М.: Не-дра,1985.
3. Попов К.Н. Полимерные и полимерцементные бетоны, растворы и мастики. М.: Высш. шк., 1987.
4. Сараскин А.В., Замосковцева Г.Д., Маннанов Р.Ш. Применение инъекционных способов для упрочнения неустойчивых по-род.//Разработка мощных рудных месторождений.1999г. Магнитогорск: МГТУ, 1999.
5. Кузьмин Е.В. Упрочнение горных пород при подземной добыче руд. -М.: Недра, 1991.
4* ^ >
11111 Рыльникова М.В., Емельяненко Е.А., Маннанов Р.Ш. — у, Магнитогорский государственный технический университет. Иванов А.А., Сараскин А.В. — Учалинский ГОК
