CC BY
0УДК 622.847-658.382.3
В. А. Канин, Ю. А. Пивень, В. В. Васютина, Л. А. Камбурова
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЗАКРЕПЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВОГО ГОРНОГО МАССИВА
В статье представлены общие положения, исходные данные и технологические параметры инъекционного закрепления неустойчивого горного массива при использовании карбамидно-ангидридного скрепляющего компаунда.
Ключевые слова: инъекционное закрепление, карбамидно-ангидридный скрепляющий состав, неустойчивый горный массив.
Введение. Карбамидно-ангидридный скрепляющий состав (компаунд) по результатам исследований, выполненных РАНИМИ [1], характеризуется высокой проникающей способностью за счет низкой вязкости, полимеризуется в средах любой степени влажности и в широком диапазоне температур, а клеевые швы обладают нулевой фильтрацией и высокой механической прочностью. Стандартное время его желатинизации изменяется от 24 до 40 мин. Через 8,0 ч после начала реакции прочность отвержден-ного продукта на одноосное сжатие составляет 25-31 МПа, а через 30 суток - 45-65 МПа. При этом конечная усадка отвержден-ного материала не превышает 0,6-2,1 %.
Адгезионная прочность карбамидно-ангидридного компаунда ко всем типам сухих пород изменяется в пределах 2,43,8 МПа. В сильно увлажненных горных породах, подверженных пластическому деформированию, адгезионная прочность составляет не менее 2,0 МПа. Этот термореактивный компаунд хорошо сочетается с различными водорастворимыми и водонераствори-мыми добавками, при введении которых можно в широких пределах регулировать протекание реакции полимеризации и свойства отвержденного продукта - адгезионную и когезионную прочность, пластичность, водостойкость, вязкость и скорость от-
верждения. В отличие от других составов на карбамидной основе данный компаунд в процессе отверждения за счет специфики взаимодействия отвердителя со смолой не выделяет свободный формальдегид. Существенным является и то обстоятельство, что все его исходные компоненты производятся на предприятиях Российской Федерации. Условия применения карбамидно-ангидридного компаунда приведены таблице 1.
Таблица 1 - Условия применения карбамидно-ангидридного компаунда
Наименование показателя Значение
Категория объекта по газу и пыли любая
Температура упрочняемых пород, углей и грунтов не менее, °С 10
Состояние поверхностей горной породы в трещинах от средне шероховатых до сильно шероховатых,
Влажность горных пород и углей любая
Трещиноватость упрочняемого массива от равномерно развитой трещи-новатости до неупорядоченного распространения трещин
Степень раскрытия трещин, мм не менее 0.01
Материалы, технические и технологические разработки.
Исходя из условий применения, эксплуатационных свойств и технических характеристик, карбамидно-ангидридный компаунд может использоваться по целому ряду направлений, но наиболее эффективными областями его применения являются:
- закрепление неустойчивого породного массива при проведении и восстановлении подземных горных выработок;
- укрепление пород на сопряжениях подготовительных выработок с очистными забоями;
- повышение устойчивости бортов карьеров при открытой разработке месторождений полезных ископаемых;
- упрочнение породного массива на участках угрожаемых по горным обвалам.
Исходные данные для закрепления горных пород. Горногеологическая оценка объекта упрочнения производится по данным геологической разведки, а также непосредственным визуальным осмотром. При этом уточняются геологическая характеристика горных пород или пласта, величина, частота и направленность трещин, кусковатость и характер обрушения пород или угля, температура воздуха и воды в горной выработке, кислотность воды.
Параметры нагнетания жидких компонентов карбамидно-ангидридного компаунда. Основными параметрами инъекционного закрепления горного массива являются: количество скрепляющего состава в объеме горной породы, необходимого для закрепления породного массива (д); глубина шпуров или скважин (X); расстояние между шпурами (/); радиус распространения скрепляющего состава вокруг шпура (Я); давление нагнетания (Рн); объем нагнетаемого состава (0 и углы заложения нагнетательных шпуров (а и в).
Параметр д определяется исходя из объема пор и трещин в горной породе, доступного для проникновения скрепляющего состава. Предельный объем пор и трещин в песчано-глинистых и глинистых сланцах составляет 2,0-3,0 %, причем, в среднем, 85 % этого объема составляют поры диаметром менее 20 А, которые недоступны для молекул карбамидной смолы. В угле объем пор составляет в среднем 7,0 %, а более 80 % этого объема занимают поры диаметром менее 20 А [2]. На основании этого принимаем: для породы - q = 8-12 л/м3, для угля - q = 15-17 л/м3.
Параметр L не должен превышать предельную зону разрушения пород вокруг выработки. Поэтому его значения на основании известных решений задач по разрушению горных пород [2] принимаем равными: для горных пород - L < 5 м, для углей -L < 8 м. При упрочнении сползающей почвы угольных пластов глубина нагнетательных скважин определяется размером опасного участка сползающих пород почвы по восстанию от контура проведенного штрека и должна составлять не менее 10 м. Расстояние между нагнетательными шпурами должно обеспечивать
равномерное распределение скрепляющего состава в массиве. В общем случае это расстояние складывается из двух радиусов их влияния. Но так как степень закрепления пород на периферии ниже, чем вблизи шпура, принимаем 1 = (1,7^1,9^.
Параметр R зависит от проницаемости породы и времени нагнетания. Ранее было установлено [3], что в случае изменении объемного сжатия [(01+ 02+ 03):3] от 1,0 до 20,0 МПа коэффициент проницаемости глинистого сланца при фильтрации карба-мидно-ангидридного компаунда вязкостью до 0,04 Пас составляет кс = (5^15)10-14 м2. Для дальнейшего расчета значений R воспользуемся известными формулами [2] и [4]:
R _
6кфКhoro Мв k _ kcycg
КФ - _ . , (1)
Р Мс Мс
где кф - коэффициент фильтрации среды, м/с; и - время нагнетания скрепляющего состава, с; Но - напор нагнетания, м; Го - радиус нагнетательной скважины, м; /в и /Лс - динамическая вязкость соответственно воды и состава, Пас;
Ф - активная трещиноватость горного массива, м. Подставив в (1) значения перечисленных показателей, получаем, что в условиях глинистых сланцев R = 2,2-3,8 м, а при закреплении угольного массива R = 3,0-4,0 м.
Результаты исследований и их обсуждение. Специфика инъекционного закрепления горных пород заключается в том, что, с одной стороны, давление нагнетания Рн должно обеспечивать заполнение трещин скрепляющим составом в пределах R, а с другой, - заполняемые составом трещины под действием Рн не должны прорастать. В этой связи для расчета Рн была использована методика [5], разработанная на основе теории трещин для расчета Рн воды в угольный пласт в режиме фильтрации. В ее основу положено решение плоской задачи для случая, показанного на рисунке 1, когда плоскость ХОУ, проходящая внутри материала, вдоль оси ох ослаблена прямолинейной трещиной длиной 21. Плоскость на бесконечности подвержена действию сжижающих
напряжений —1 = уН и —2 = ЛуН, где 0 < А < 1. Направление —1 составляет с осью х угол а. По берегам трещины распределены нормальные напряжения Рн. Для определения коэффициентов интенсивности напряжений (Ki и Кп) в этих условиях получены формулы [5]:
KI =у[ЩРн - — (sin2 а +Л coi а]; K - -[ni—(1 - À)sin2a, (2)
2
а в качестве критерия локального разрушения в [6] предложено условие
(( + K2 ) = 8у, (3)
где у - эффективная поверхностная энергия; для горных пород и углей по данным [6] у = 10^17 Дж/м2.
02
Рн
01
Y
Шк
а
tmnmmmmt
UUUUU
Рн
oi
шш
02
Рис. 1 - Схема к расчету давления нагнетания скрепляющего
состава
После подстановки (2) в (3) получаем формулу [7] для расчета Рн скрепляющего состава при опережающем закреплении неустойчивого породного массива:
Рн - o1 (sin2а + Acos2 )
+
1
—о/ (i - А)2 sin22а. ne
(4)
Для условий закрепления пород по контуру подготовительной выработки (в разгруженной зоне горного массива) формула (4) значительно упрощается
Рн = 0,5а 1 (sin2 а + Xcos2 а ), (5)
а для условий пологих пластов при закреплении пород в зоне разгрузки Pu ~ 0,5уН.
Углы заложения нагнетательных скважин (шпуров) выбираются в зависимости от горно-геологических условий.
Угол а (рис. 2) определяется нарушенностью пород в боках выработки: при высокой степени нарушенности - а = 75-90 °, при средней - а < 75 °
Угол / (рис. 2 и 3) обеспечивает формирование неснижае-мой зоны упрочнения к последующему циклу обработки и исключает возможность прорыва скрепляющего раствора в выработку.
Рис. 2 - Схема расположения нагнетательных скважин при проведении и восстановлении подготовительных выработок
Величина угла р рассчитывается по формуле:
l + a
р = агссоБ-,
L
где l - расстояние между нагнетательными шпурами, м;
a - глубина неснижаемой зоны упрочнения, м, a = 0,5-1.0 м;
L - глубина нагнетательных шпуров (скважин), м.
Объем скрепляющего состава для нагнетания в один шпур определяется по формуле:
Q = mB (Ь - Ь г )pqKн , (6)
где т - мощность обрабатываемого слоя, м;
В - ширина обрабатываемого слоя, м;
Ьскв - длина нагнетательной скважины, м;
Ьг - длина герметизации, м;
р - объемная плотность скрепляющего состава, т/м3, для карбамидно-ангидридного компаунда р = 1,2 т/м3;
д - удельное содержание скрепляющего состава в объеме горной породы (угля), л/м3;
Кн - коэффициент неравномерности обработки (Кн = 1,2 - 1,8).
Рис. 3 - Схема нагнетательных скважин при закреплении нависающего угольного массива (I) и сползающей почвы (II)
Рассчитанный объем закачиваемого скрепляющего состава служит для контроля случайных его утечек и уточняется в процессе нагнетания.
Количество нагнетательных скважин определяется с учетом необходимого объема скрепляющего состава, времени потери подвижности состава и производительности нагнетательной установки:
* = e
g * *
где Q - объем нагнетаемого скрепляющего состава, л;
g - производительность нагнетательной установки, л/мин;
1 - время работы нагнетательной установки, мин.
g * 1
где Q - объем нагнетаемого раствора, л;
g - производительность установки, л/мин;
1 - время работы установки, мин.
Основные этапы закрепления горного массива карба-мидно-ангидридным скрепляющим компаундом. Составляющими элементами технологии закрепления горного массива из подземных выработок являются:
- горно-геологическая оценка обрабатываемого объекта и составление паспорта закрепления горных пород;
- доставка оборудования к месту производства работ и установка его;
- бурение шпуров (скважин);
- герметизация шпуров (скважин);
- приготовление карбамидно-ангидридного скрепляющего компаунда;
- нагнетание скрепляющего компаунда.
Паспорт закрепления неустойчивых пород, вмещающих горные выработки, составляется в произвольной форме, но с соблюдением требований, предъявляемых к паспортам выемочных участков. Он включает в себя место установки оборудования, параметры бурения шпуров (диаметр, глубину, углы подъема и разворота шпуров), расстояние между шпурами, способ герметизации и глубину герметизации, а также параметры нагнетания (давление, темп нагнетания, количество состава на шпур, соотношение компонентов в составе), меры безопасности.
Технологическое нагнетательное оборудование комплектуется и испытывается на поверхности шахты и доставляется к месту работ комплексно. В его состав входят:
- насосная установка;
- емкости для доставки: а) смолы (250 л); б) отвердителя (50 л); в) смешивания компонентов (100 л); г) чистой воды (200 л);
- высоконапорный шланг длиной не менее 10 м;
- шланговый гидрозатвор;
- соединительные муфты (5 шт.);
- двухходовые шаровые краны;
- мерная емкость.
Бурение нагнетательных шпуров (скважин) осуществляется непосредственно перед производством нагнетания или заблаговременно, если есть уверенность, что стенки шпуров со временем не изменят своей геометрии и не станут источником утечки скрепляющего состава.
Герметизация нагнетательных шпуров диаметром до 50 мм, должна осуществляться механическими пакерами (рис. 4) или шланговыми герметизаторами, которые используются для гидрообработки угольных пластов.
1 - тройник; 2 - ниппель; 3 - смеситель;
4 - герметизатор (пакер) распорного типа;
5 - обратный клапан
Рис. 4 - Схема запорного узла (механического пакера) для герметизации нагнетательных шпуров
Глубина герметизации шпуров зависит от состояния и степени нарушенности массива. При высокой нарушенности пород герметизатор необходимо досылать в шпур на глубину от 2 до 2,5 м, а при низкой нарушенности - на глубину от 1,0 до 1,5 м. Герметизация шпуров (скважин) шланговыми герметизаторами должна осуществляться во всех случаях, когда диаметр пробуренных в горном (породном или угольном) массиве шпуров
(скважин) превышает начальный диаметр шлангового герметизатора (40-42 мм) не более чем на 5-8 мм, что гарантирует достаточный распор и надежную герметизацию рабочей камеры на весь пери-од проведения инъекционных работ. При бурении шпуров (скважин) в зонах раздробленных пород или по угольному пласту с высокой степенью тектонической нарушенности их диаметр может превышать максимальный диаметр шлангового герметизатора в рабочем состоянии (48-52 мм и более). Герметизацию таких шпуров (скважин) необходимо производить путем тампонирования затрубного пространства любыми известными связующими. Для этого в устье скважины вставляют две трубы диаметром 25 мм (рис. 5).
1 - нагнетательная скважина; 2 - тампонажный состав;
3 - труба для подачи тампонажного состава и дальнейшего нагнетания скрепляющего состава; 4 - труба для контроля тампонирования устья скважины; 5 - металлический диск;
6 - крепление и уплотнение труб
Рис. 5 - Герметизации устья скважины путем тампонажа
затрубного пространства
По удлиненной трубе (3) в скважину подается тампонажный состав до тех пор, пока все затрубное пространство не будет заполнено и он не начнет выходить в выработку через укорочен-
ную контрольную трубу (4). По истечении 5-7 час по трубе (3) можно производить нагнетание скрепляющего состава в угольный или породный массив.
Скрепляющий состав подготавливается непосредственно перед его нагнетанием в массив при наличии 1-3 шпуров в зависимости от применяемой схемы закрепления горного массива. Исходные компоненты карбамидно-ангидридного компаунда -карбамидную смолу и ангидридный отвердитель заранее доставляют к месту работы в герметической таре в количестве необходимом для обработки 10 шпуров и размещают в непосредственной близости (не менее 10 м) от места проведения работ.
Нагнетание карбамидно-ангидридного компаунда в горный массив должно осуществляться по двухкомпонентной схеме с раздельной подачей к шпуру смолы и отвердителя в заданном объемном соотношении (на 9 частей смолы 1 часть отвердителя), что обеспечивается пневматической нагнетательной установкой «Нагус-212м» с техническими характеристиками: давление на выходе насоса - 16 МПа; производительность - 8,5 л/мин; рабочая среда - воздух с давлением 0,2-0,6 МПа и расходом 2 м3/мин. Конструктивные особенности установки «Нагус-212м» показаны на принципиальной схеме [7], представленной на рисунке 6.
Рис. 6 - Принципиальная схема нагнетательной установки
«Нагус-212 м»
Насосный агрегат установки (1) включается открытием вентиля (11), после чего воздух из магистрали (12) через маслорас-пылитель поступает в пневмопривод. Поршни совершают возвратно-поступательные движения, при которых всасывание ком-
понентов из емкостей (3) по рукавам (2) производится через один ход, а вытеснение - при каждом ходе. После перекрытия шпура герметизирующим устройством (8) и сборки соединительной арматуры открываются краны (4) и по рукавам (5) компоненты состава поступают через тройник (6) в лабиринтный смеситель (7), проходя через который они равномерно перемешиваются. Образовавшийся состав через загрузочную трубу (9) поступает в шпур. Давление нагнетания контролируется манометрами (10) и регулируется вентилем (11).
В исключительных случаях при небольших объемах работ под методическим руководством РАНИМИ нагнетание скрепляющего состава в горный массив можно осуществлять по одно-компонентной схеме, когда смола и отвердитель перемешиваются в одной емкости-смесителе, а затем готовый компаунд с помощью нагнетательной установки подается непосредственно в шпур по однокомпонентной схеме.
Заключение. Требования к организации работ и охране труда при укреплении пород. При нагнетании скрепляющего состава в горный массив должны соблюдаться все параметры, предусмотренные в проекте (паспорте на ведение работ).
Количество закачанного в скважину скрепляющего состава, давление, развиваемое насосной установкой, контролируется по изменению объема компонентов в тарированных расходных емкостях и по давлению на манометрах.
Оценка качества закрепления породного или угольного массива должна производиться при соблюдении следующих технологических параметров:
- по параметрам нагнетательных скважин (длина скважины, глубина герметизации скважины, расстояние между скважинами);
- по расходу упрочняющего состава, закачиваемого в скважину. Этот объем должен быть не менее расчетного;
- по давлению, развиваемому насосной установкой, которое должно быть не менее расчетного.
Выполнение всех работ по нагнетанию скрепляющего состава должно регистрироваться в участковой книге нарядов, а также в журнале учета и контроля работ по закреплению горных объектов, который должен храниться на участке, выполняющем
данные работы. В случаях утечки компонентов скреплящего состава из скважины в выработку нагнетание прекращается и насосную установку переключают на следующую (смежную) скважину, при этом количество нагнетаемого состава увеличивают, компенсируя потерю объема в нарушенной скважине.
При выполнении работ по закреплению горных пород и углей необходимо руководствоваться требованиями «Правил безопасности в угольных шахтах», «Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа», а также нормативного документа, разработанного по результатам выполнения настоящей работы - «Технология упрочнения горных пород, углей и грунтов на основе использования синтетических материалов. Методические указания».
Работы по упрочнению угольных пластов, опасных и угрожаемых по внезапным выбросам угля и газа, должны производиться в неопасных зонах, установленных текущим прогнозом выбросоопасности, или после выполнения противовыбросных мероприятий и контроля их эффективности. Если в процессе бурения нагнетательной скважины по угольному пласту отмечаются признаки выбросоопасности в виде ударов и тресков в массиве различной силы и частоты и выбрасывания из скважины газа с буровой угольной мелочью, то бурение этой скважины должно быть прекращено до выполнения мероприятий по предотвращению выбросов угля и газа.
Оборудование и приборы, используемые при нагнетании карбамидно-ангидридного компаунда, должны быть проверены на поверхности в соответствии с требованиями Инструкций по правилам их эксплуатации. При обнаружении неисправностей насосной установки, магистралей, аппаратуры или контрольно-измерительных приборов, работы по нагнетанию скрепляющего состава должны быть немедленно прекращены до полного устранения этих неисправностей.
Параметры технологии закрепления горных пород и углей карбамидно-ангидридным скрепляющим составом должны быть увязаны с действующими отраслевыми документами, регламентирующими ведение очистных и подготовительных работ (технологические схемы, инструкции по охране горных выработок).
Работы по нагнетанию скрепляющего состава должны выполняться специально обученным персоналом под руководством участкового надзора.
Лица, допущенные к работе с карбамидно-ангидридным компаундом, должны быть ознакомлены с параметрами закрепления пород, содержанием технологического паспорта на производство работ в забое (выработке), с токсичными свойствами компонентов состава, мерами профилактики отравлений и проходить периодический медицинский осмотр.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020700021-4-2.7.1;2.7.5).
ЛИТЕРАТУРА
1. Канин В. А. О механизме отверждения карбамидной смолы изометилтетрагидрофталевым ангидридом [Текст] / В. А. Канин, А. В. Пащенко // Полiмерний журнал. - 2007. -ХХ1Х, № 3. - С. 208-213.
2. Физико-химия газодинамических явлений на шахтах [Текст] / под ред. В. В. Ходота - М.: Наука, 1973. - 140 с.
3. Упрочнение массивов горных пород и предотвращение оползней с применением нового синтетического состава [Текст] / А. В. Пащенко, И. Ф. Озеров, В. А. Канин, Г. П. Стариков // Гео-лопя i геохiмiя горючих копалин. - 1998. - № 4 (105). - С. 53-59.
4. Васильев В. В. Полимерные композиции в горном деле [Текст] / В. В. Васильев. - М.: Наука, 1986. - 294 с.
5. Алексеев А.Д. Разрушение горных пород в объемном поле сжимающих напряжений [Текст] / А. Д. Алексеев, В. Н. Ревва, Н. А. Рязанцев. - К.: Наук. думка, 1989. - 168 с.
6. Алексеев А. Д. Предельное состояние горных пород [Текст] / А. Д. Алексеев, Н. В. Недодаев. - К.: Наук. думка, 1982. - 200 с.
7. Технология упрочнения горных пород, углей и грунтов на основе использования синтетических материалов. Методические указания: КД 12.01.001-2000. - К.: Минтопэнерго Украины, 2001. - 25 с.
Канин Владимир Алексеевич, доктор технических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник отдела горного давления ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк , caninwladimir@yandex.ru.
Пивень Юрий Анатольевич, ккандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела горного давления ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк.
Васютина Виктория Владимировна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник сектора защитных пластов и управления состоянием горного массива, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, vika.vasyutina@yandex.ru.
Камбурова Лариса Алексеевна, заместитель директора по экономике научно-технической деятельности, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, ranimi@ranimi.org.
TECHNOLOGICAL PARAMETERS FOR SUPPORTING UNSTABLE ROCKS
The article presents the general provisions, initial data and technological parameters of injectable fixation of unstable rock mass when using a carbamide-anhydride bonding compound.
Keywords: injection fastening, carbamide-anhydride bonding compound, unstable mountain range.
Kanin Vladimir Alekseevich, Doctor of Technical Sciences, senior researcher, leading researcher of the rock pressure department of the Federal State Budgetary Institution «RANIMI», Russia, DPR, Donetsk, caninwladi-mir@yandex.ru.
Piven Yuri Anatolyevich, Candidate of Technical Sciences, presenter Researcher, Department of Rock Pressure, Federal State Budgetary Scientific Institution «RANIMI», Russia, DPR, Donetsk.
Vasyutina Victoria Vladimirovna, Candidate of Technical Sciences, senior researcher in the sector of protective layers and management of the state of the mountain range, Federal State Budgetary Institution «RANIMI», Russia, DPR, Donetsk, vika.vasyutina@yandex.ru.
Kamburova Larisa Alekseevna, Deputy Director for Economics of Scientific and Technical Activities, Federal State Budgetary Institution «RANIMI», Russia, DPR, Donetsk, ranimi@ranimi.org.
