Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время происходит интенсификация подземной угледобычи, увеличение глубины ведения горных работ с усложнением горно-геологических и горнотехнических условий. На действующих шахтах России к благоприятным условиям подземной добычи угля отнесено менее 50% разведанных запасов. В Кузбассе, как ведущем угольном регионе и месте проведения исследований, до 60 % вмещающих пород непосредственной кровли относятся преимущественно к IV и V классам, т.е. ниже средней устойчивости и неустойчивые с прочностью на сжатие 10-45 МПа. Аварии и несчастные случаи при проведении и поддержании горных выработок в основном сопровождаются обрушением непосредственной кровли с остановкой работ.
При строительстве и эксплуатации угольных шахт в подобных условиях одной из главных проблем является обеспечение устойчивости выработок, которая в основном решается возведением крепи. Трудоемкость крепления выработок в проходческом цикле занимает 30-60%. Процесс крепления, особенно капитальных выработок, является одним из самых дорогостоящих. Возрастающие объемы проведения капитальных выработок в нарушенных породах требуют развития крепления с низкой материалоемкостью и трудоемкостью работ, позволяющего обеспечивать заданную устойчивость при- контурного массива.
Из эффективных средств повышения устойчивости нарушенных пород известно их инъекционное упрочнение и анкерование. При этом рационально применение доступных цементных растворов и минеральных заполнителей.
Несмотря на успехи и имеющийся положительный опыт цементации нарушенных горных пород достигаемая плотность и прочность массива не всегда обеспечивает требуемую несущую способность, ограничивая использование инъекционного упрочнения как способа крепления выработок. Сложившееся положение обусловлено недостаточной изученностью процессов формирования физико-механических и структурно-реологических характеристик цементного раствора, физических особенностей заполнения трещин в нарушенном массиве пород при отфильтровывании жидкой фазы.
В сложных условиях проходки применяют в основном более надежные беззамковые классы анкерной крепи. Работами ИГД СО РАН доказана перспектива использования для закрепления анкеров сыпучего минерального заполнителя (МЗ) - песка, за счет сил трения, сцепления и дилатансии. МЗ дёшев, термостоек, химически инертен. Анкеры, закрепляемые сыпучим минеральным заполнителем (АКМЗ) могут совместить функций временной крепи и конструктивных элементов комбинированной крепи, реализовать при работе распределенную нагрузку на контур скважины. Перспективна идея использования скважин с АКМЗ для нагнетания цементных растворов и дренажного сброса излишней для процесса гидратации жидкой фазы, исключающая дополнительные объемы бурения. При этом не проработаны аспекты формирования втулки из МЗ как несущей и фильтрующей среды, не обоснованы конструктивные и технологические параметры АКМЗ.
Известные способы комбинированного анкер-инъекционного крепления в основном рассматриваются как сочетание положительных признаков. Резерв развития заложен в получении нового качества - реализации процессов консолидации (совмещенное уплотнение, укрепление, сращивание), что позволит изменять физико-механические характеристики нарушенных пород и управлять состоянием приконтурного массива, используя его несущую способность.
Таким образом, для обеспечения устойчивости выработок и снижения материалоемкости при строительстве и эксплуатации угольных шахт актуально научное обоснование и разработка технологии анкер-инъекционного крепления с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя, рассматриваемой как единый процесс нагнетания, дренирования и анкерова- ния при консолидации нарушенного массива пород.
Работа выполнена в рамках программы СО РАН «Научное и технологическое обеспечение социально-экономического развития Кемеровской области»; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г.г., КузГТУ; именного гранта Губернатора Кемеровской области для молодых ученых - кандидатов наук на проведение фундаментальных и прикладных исследований по приоритетным направлениям социально-экономического развития Кемеровской области, КемНЦ СО РАН, 2008 г.; государственного контракта №26-0П-08, ИУУ СО РАН, 2008 г.; хоздоговорных тематик ИУУ СО РАН 1996-1998 г.г.
Цель работы. Обоснование и разработка технологии анкер- инъекционного крепления капитальных выработок с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя, обеспечивающего устойчивость контура и снижение материалоемкости при строительстве и эксплуатации угольных шахт.
Основная идея работы заключается в использовании закономерностей процесса цементации трещин с дренажем жидкой фазы раствора, совмещенного с работой анкеров, закрепляемых сыпучим заполнителем - песком, при обосновании и выборе конструктивных и технологических параметров анкер-инъекционного крепления.
Задачи исследований:
установить влияние дренажа жидкой фазы на процесс заполнения трещин цементным раствором;
установить взаимосвязь основных технологических параметров процесса цементации трещин при отфильтровывании жидкой фазы раствора через дренажные скважины;
выявить процессы формирования втулки из сыпучего минерального заполнителя при механическом нагружении анкера в скважине;
разработать анкеры, закрепляемые сыпучим минеральным заполнителем и обосновать их конструктивные параметры;
обосновать основные технологические параметры установки механизации процесса заполнения скважин сыпучим материалом - УЗА-СМ;
разработать технологию анкер-инъекционного крепления капитальных выработок на основе цементации трещиноватых горных пород и анкеров с сыпучим минеральным заполнителем.
Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий научный анализ и обобщение теории и практики крепления горных выработок, эффективности разработанных способов и конструктивных элементов крепления, результатов их внедрения, метод анализа размерностей, статистическую обработку результатов экспериментов. В том числе, при решении задач использованы экспериментальные стендовые исследования фильтрации и отфильтровывания при плоском движении суспензии на различных моделях искусственной щели и методы электронной микроскопии - 1-2 задачи; оценка проникающей способности твердых частиц разной формы через щелевое пространство гравитационной решетки - 2 задача; нагружение сыпучих материалов в щелевом пространстве, графические и экспериментальные методы строительной механики и механики сыпучих сред - 3 задача; нагрузочные испытания анкерной крепи в искусственной скважине на разрывной машине - 4 задача; методы механики сплошных сред - 1-4 задачи; экспериментальные натурные исследования разработанных конструкций и технологий (нагрузочные испытания экспериментальных образцов крепи, хронометраж технологических циклов, регистрация сбоев, работы узлов и элементов конструкций на отказ), технико-экономический анализ эффективности разработанных элементов технологии анкер-инъекционного крепления - при решении 5 и 6 задач.
Объект исследования: технология комбинированного крепления, консолидирующего приконтурный массив трещиноватых пород при проведении и поддержании горных выработок угольных шахт.
Предмет исследования: технология анкер-инъекционного крепления капитальных выработок с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя.
Научные положения, защищаемые автором:
процесс заполнения трещин цементным раствором при постоянном инъекционном давлении и локальном отфильтровывании жидкой фазы происходит с неравномерной упаковкой и скоростью движения частиц, сопровождаясь скачком расхода, что описывается кубической зависимостью массового расхода по цементу от линейной плотности потока частиц цемента;
массовые цементно-водное отношение а и расход раствора по цементу в процессе цементации трещин при отфильтровывании жидкой фазы через дренажные скважины связаны между собой параболической зависимостью с наличием максимума при значениях коэффициента формы частиц цемента от 0,4 до 0,65 и а от 0,5 до 2;
втулка из сыпучего минерального заполнителя при механическом нагружении анкера зонально структурируется с образованием по поверхностям сдвига и эстафетной перекомпоновкой слоев распора, при этом зоны пластических деформаций на уровне и под головкой анкера распространяются на расстояние до 5 диаметров скважины, а полное вырождение структурных смещений происходит на расстоянии зоны от 5 до 20 диаметров скважины;
разработанная конструкция анкера закрепляется в скважине сыпучим минеральным заполнителем за счет сил трения, сцепления и дилатансии при
использовании песка фракцией (0,1-1,0)-10-3 м с содержанием глины до 4 % и влажностью 6%, величине кольцевого зазора между стенкой шпура и головкой анкера (1,0-1,5)10-3 м, длине головки 4510-3 м и ее угле заклинивания от 10 до 90;
основными параметрами УЗА-СМ, обеспечивающими качественное закрепление анкеров с высокой скоростью, являются производительность от 0,33 кг/с, коэффициент заполнения скважин сыпучим минеральным заполнителем более 0,6, зависящий от показателя аэродинамического уплотнения от 25 кгс/м4 и скорости вылета частиц от 5 до 30 м/с из сопла установки при его расстоянии до забойной зоны скважины 0,5-0,6 м;
разработанная технология анкер-инъекционного крепления включает в себя комплекс решений по созданию сетки дополнительных дренажных скважин с установкой в них анкеров с сыпучим минеральным заполнителем, радиальному к оси дренажных скважин отфильтровыванию жидкой фазы с ее свободным сбросом, отфильтровыванию жидкой фазы при нагнетании раствора через инъекционные анкеры или скважины с анкерами, заполненными сыпучим минеральным заполнителем только на минимально необходимую для равнопрочного закрепления длину втулки.
Научная новизна работы заключается:
в установлении влияния локального отфильтровывания жидкой фазы на процесс заполнения трещин цементным раствором при постоянном инъекционном давлении;
в установлении зависимости массового цементно-водного отношения от расхода раствора по цементу в процессе цементации трещин при от- фильтровывании жидкой фазы через дренажные скважины;
в выявлении процессов зонального структурирования втулки из сыпучего минерального заполнителя при механическом нагружении конструкции анкера в скважине;
в обосновании конструктивных параметров разработанных анкеров, закрепляемых сыпучим минеральным заполнителем (песком) применительно к исследуемой технологии анкер-инъекционного крепления;
в обосновании основных технологических параметров установки УЗА-СМ, обеспечивающих качественное закрепление анкеров в скважинах различного расположения в пространстве с высокой скоростью и формирующих фильтрующую среду для цементных растворов;
в разработке технологии анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок, включающей в себя комплекс научно обоснованных решений по консолидации трещиноватых пород цементацией с дренированием жидкой фазы раствора через группы скважин с предварительно установленными анкерами и сыпучим минеральным заполнителем.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
применением апробированных классических методов строительной механики и механики сыпучих сред, методов механики сплошных сред, теории подобия и математической статистики, методов электронной микроскопии;
удовлетворительной сходимостью (расхождение не более 10 %) результатов аналитических, экспериментальных лабораторных, натурных исследований конструктивных и технологических характеристик элементов анкер-инъекционного крепления трещиноватых горных пород;
положительными результатами опытно-промышленной проверки технологий инъекционного упрочнения массива горных пород с дренированием жидкой фазы раствора и основных несущих конструктивных элементов анкер-инъекционного крепления - АКМЗ и технологии их возведения при помощи УЗА-СМ в процессе проходки 4 экспериментальных участков выработок угольных шахт Кузбасса общей протяженностью 91 м.
Личный вклад автора заключается:
в анализе и обобщении результатов известных теоретических и экспериментальных исследований в области крепления горных выработок и упрочнения горных пород, постановке и выполнении задач данного исследования, в разработке методик и проведении экспериментальных исследований (часть в соавторстве), в обосновании, разработке и формулировке всех положений диссертационной работы;
в установлении влияния дренажа жидкой фазы на процесс заполнения трещин цементным раствором;
в установлении зависимости массового цементно-водного отношения от расхода раствора по цементу в процессе цементации трещин при от- фильтровывании жидкой фазы через дренажные скважины;
в выявлении процессов зонального структурирования втулки из сыпучего минерального заполнителя при механическом нагружении конструкции анкера в скважине;
в обосновании конструктивных параметров разработанных анкеров, закрепляемых сыпучим минеральным заполнителем (песком) применительно к исследуемой технологии анкер-инъекционного крепления;
в обосновании основных технологических параметров установки УЗА-СМ, обеспечивающих качественное заполнение скважин сыпучим минеральным заполнителем для закрепления АКМЗ и формирования фильтрующей среды цементных растворов, в разработке конструкции рукояти управления;
в разработке технологии анкер-инъекционного крепления капитальных выработок на основе цементации трещиноватых горных пород и анкеров с сыпучим минеральным заполнителем.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей процесса фильтрационного течения нестабильных цементных растворов, совмещенного с работой АКМЗ при упрочнении горных пород с одновременным отфильтровыванием жидкой фазы раствора через сыпучий материал дренажных скважин; в выявлении рациональных параметров процесса упрочнения нарушенных пород и обосновании на их основе технологии анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок, обеспечивающих консолидацию приконтурного массива.
Практическое значение работы. Применение разработанных конструкций и способов, созданных рекомендаций, методик исследований и расчетов основных параметров анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок позволяет в дальнейшем управлять состоянием массива горных пород, повысить качество цементации и устойчивость контура, снизить материалоемкость и стоимость крепления.
Реализация работы. Основные положения диссертационной работы вошли в РД (Методические указания по технологии консолидации нарушенных приконтурных пород горных выработок инъекционной цементацией и анкерами с сыпучим минеральным заполнителем / КемНЦ СО РАН, КузГТУ, ИУ СО РАН, ООО «ППЦ Кузниишахтострой». - Кемерово, 2011. - 41 с.). Разработанные последовательности расчетов, рекомендации по условию применения и выбору рациональных параметров, результаты стендовых и шахтных испытаний, технические решения, использованы для разработки технической документации и паспортов крепления горных выработок. Основные элементы технологии анкер-инъекционного крепления прошли стендовые и предварительные натурные испытания на 4 экспериментальных участках горных выработок шахт «Комсомолец» ОАО «Ленинскуголь» и «Краснокаменская» ПО «Прокопьевскуголь» общей протяженностью 91 м. Результаты исследований в области фильтрации цементных растворов и разработанная научно-методическая база использованы в Шаньдунском научно- техническом университете (г. Циндао, Китай) при проведении исследований, разработке и проектировании новых технологий крепления выработок угольных шахт.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки» 1998 г. (ИУУ СО РАН, КузГТУ, Кемерово); международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» 1999 г. (КузГТУ, Кемерово); международной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук» 2006 г. (ИГД СО РАН, Новосибирск); Китайско- Российской международной конференции «Проблемы подземного и надземного строительства» 2008 г. (Шаньдуньский научно-технический университет, г. Циндао, Китай); конференции «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (с участием иностранных ученых) 2008 г. (ИГД СО РАН, Новосибирск); международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» 2008 г. (СибГИУ, Новокузнецк); научно-практической конференции «Управление механическими процессами дезинтеграции, инъекционного уплотнения и переработки горных пород» 2009 г. (КузГТУ, Кемерово); VIII международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах» 2009 г. (КузГТУ, Кемерово); VI Российско - Китайском симпозиуме «Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений» 2010 г. (КузГТУ и Шаньдунский научно-технический университет, Кемерово); XIII международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири», СИБРЕСУРС-2010 (КузГТУ, Кемерово); ежегодных научных конференциях студентов, аспирантов и преподавателей КузГТУ 20048 2010 гг. (Кемерово), научных симпозиумах «Неделя горняка» - 2007, 2009, 2010 г.г. (МГГУ, Москва); международных научно-практических конференциях «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности», Экспо-Уголь 2010, 2011.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 научных работ, в том числе 9 публикаций в периодических изданиях из перечня ВАК РФ, 11 патентов на изобретения РФ и 1 монография.
Объём и структура диссертации. Состоит из введения, 8 глав и заключения, изложенных на 294 страницах, содержит 83 рисунка, 23 таблицы, список литературных источников из 212 наименований, 3 приложения.
Автор признателен за помощь при выполнении работы д.т.н., профессору, заслуженному деятелю науки РФ В.А. Хямяляйнену, д.т.н., профессору, заслуженному деятелю науки РСФСР В.Ф. Горбунову, а также к.т.н., с.н.с. ИУ СО РАН В.Е. Ануфриеву, труды и идеи которого явились основой при разработке анкерного крепления.
