Введение к работе
Актуальность работы. В связи с увеличением глубин ведения горных работ, отработкой легкодоступных месторождений полезных ископаемых возрастает протяженность капитальных горных выработок, проводимых в сложных горно-геологических условиях. На действующих шахтах России к благоприятным условиям выемки угля отнесено менее 50% его запаса. В основном они сконцентрированы в Кузнецком и Печорском угольных бассейнах. Однако и в этих регионах, содержащих соответственно 75 и 81% благоприятных условий от суммарной возможности фонда, в отработку вовлечены многочисленные шахтные поля с неблагоприятными условиями для выемки запасов угля. На действующих горизонтах шахт от 20 до 50% промышленных запасов при разработке пологих пластов и от 70 до 100% - при разработке наклонных и крутых пластов приходится на пласты со сложными горно-геологическими условиями. На угольных предприятиях, длительное время не подвергавшихся реконструкции, протяженность поддерживаемых выработок в 2-3 раза больше, чем это необходимо по технологическим требованиям. За последние 15 лет произошло их увеличение с 50,8 до 95,6 м на 1000 тонн годовой добычи угля. Увеличение протяженности капитальных горизонтальных выработок, проводимых в неустойчивых породах, на угольных шахтах за последние 10 лет привело к повышению трудоемкости крепления в.іработох в 3,7 раза и расхода металла в 2 раза.
Одним из перспективных направлений совершенствования технологии крепления является инъекционное упрочнение пород вокруг выработок. Нз-смотря на определенные успехи и имеющийся положительный опыт достигаемая плотность и прочность упрочненного массиза не всегда обеспечивает требуемую несущую способность, не представляется возможным использование инъекционного упрочнения как самостоятельного способа крепления выработок.
Сложившееся положение обусловлено недостаточной изученностью физико-механических свойстз раствора и упрочненных пород о условиях действия инъекционного давления, отсутствием научно обоснованных рекомендаций по конструктивным параметрам инъекционных крслєй и технологических схем их возведения, учитывающих физические особенности заполнения трещин и пустот массива горных пород скрепляющим рзстсором.
На основании изложенного представляется актуальной разработка теоретических положений по установлению закономерностей изменения свойств упрочненного массива и конструктивных параметров крепей на основе инъекционного упрочнения массива, а также научно обоснованных технических и технологических решений по их возведению.
Исследования выполнены в соответствии с координационными планами Минуглепрома СССР и Минтопэнерго РФ по тематическим планам научно-исследовательских работ Кузниишахтостроя ( N2 гос. регистрации те*.*
74040545; 76044181; 79038035; 01823049C03; 01890032291; 01850025157; 01850022516; 81089041 ).
Цель работы - обоснование параметров технологии крепления капитальных выработок на основе инъекционного упрочнения массива горных пород, обеспечивающих устойчивость и снижение трудоемкости поддержания выработок.
Основная идея работы заключается в использовании закономерностей изменения физико-механичеешх свойств растворов и упрочненных пород под инъекционным давлением при геомеханическом обосновании и разработке инъекционных технологий возвег'зния крепи.
Задачи исследований:
установить влияние инъекционного давления на физико-механические свойства инъекционных растворов с вяжущим в виде цемента и его заменителей;
определить закономерности изменения физико-механических свойств упрочненных горных пород в условиях действия инъекционного давления;
оценить влияние инъекционного упрочнения на несущую способность массива горных пород;
обосновать конструктивные параметры крепи, использующей несущую способность упрочненного массива;
-обосновать конструктивные параметры металлической крепи с тампо-нажным межрамным ограждением;
- разработать технологические схемы крепления капитальных выработок
на основе инъекционного упрочнения массива горных пород.
Методы исследований.
Установление закономерностей изменения физико-механических свойств инъекционных растворов и упрочненных горных пород осуществлено путем лабораторных экспериментальных исследований по специально разработанным методикам с использованием стандартных методов испытания материалов и методов математической статистики.
Оценка влияния инъекционного упрочнения на несущую способность массива горных пород, обоснован-ие конструктивных параметров инъекционной крепи и металлической крепи с тампонажным межрамным ограждением осуществлено с использованием методов механики сплошных сред, методов расчета железобетонных строительных конструкций, численных расчетов на ЭВМ , крупномасштабных лабораторных и натурных экспериментальных исследований.
Разработка технологических схем крепления выработок осуществлена на основе анализа и обобщения результатов аналитических, лабораторных и натурных экспериментальных исследований, технико-экономического анализа вариантов крепления, конструктивной проработки и создания экспериментальных образцов новых комплексов инъекционного оборудования, опытно-промышленных испытаний.
Научные положения, защищаемые о диссертации:
- при увеличении инъекционного давления до 0,5 МПа стабилизируются
физико-механические свойства икъекционных растворов на основе вяжущего
независимо от их первоначальной концентрации: остаточное водоцементное
массовое отношение растворов на основе портландцемента М400 без добавок составляет 0,21; с добавкой бентонитового порошка и жидкого стекла - 0,25, а прочность тампонажного камня вследствие уплотнения раствора за счет водоотдачи может быть увеличена в 2-4,5 раза; проникающая способность раствора на основе вяжущего в виде фосфогипса в 1,3-1,5 раза выше цементного, а прочность тампонажного камня в водной среде снижается более, чем в 2 раза;
величина сцепления цементного камня и прочность упрочненных пород вследствие отжатия «лишней» жидкой фазы раствора увеличивается в 2-5 раз в зависимости от концентрации закачиваемого раствора, при этом прочность упрочненного образца породы нелинейно зависит от содержания в нем тампонажного камня;
при использовании инъекционного упрочнения в сочетании с традиционными типами крепей в условиях сводообразования нагрузка на крепь после упрочнения пород может быть уменьшена в 3-5 раз в зависимости от размеров зоны нарушенных пород, а в условиях совместного деформирования - в З-б раз;
при инъекционном креплении выработок с применением передвижной изолирующей опалубки критерием оценки его технико-экономических показателей лаляется отношение площади зоны упрочнения к площади поперечного сечения выработки, при этом толщина упрочненного слоя меняется по ее периметру, причем максимальная толщина равна 0,6-1,4, а минимальная -0,1-0,2 радиуса выработки;
прочность тампонажного камня незначительно влияет на повышение несущей способности металлической крепи с тампонажиым межрамным ограждением, которое целесообразно армировать металлической сеткой с волнообразной ее установкой;
качество и снижение трудоемкости крепления выработок обеспечивают технологические схемы инъекционного упрочнения массива горных пород, включающие в себя использование традиционных типов крепей, передвижной «солирующей опалубки, щитовой инвентарной опалубки, специального инъекционного оборудования и предполагающие использование комплекса технических решений по отжагию «лишней» жидкой фазы рествера.
Научная новизна работы заключается:
-в установлении влияния водоотдачи инъекционных растворов на основе вяжущего на их физико-мехэническио свойства;
-в разработке методики исследований и определении физико-механических свойств упрочненных горных пород с учетом водоотдачи инъекционных растворов;
-в оценке влияния инъекционного упрочнения массива горных пород на величину нагрузки на крепь;
-в оптимизации параметров крепи из упрочненного массива горных пород, возводимой с применением передвижной изолирующей опалубки;
-в обосновании параметров технологии возведения металлической крепи с ташонажным межрамным ограждением;
-в разработке, технологических схем инъекционного упрочнения массива горных пород, использующих научно обоснованные технические решения по
пкатию «лишней» жидкой фазы раствора, определению параметров инъекции, конструкциям изолирующих оболочек и тампонажного оборудования.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
применением классических методов механики сплошных сред, теории подобия и математической статистики;
удовлетворительной сходимостью результатов аналитических, экспериментальных лабораторных и натурных исследований по определению физико-механических свойств упрочненных пород и оценке несущей способности упрочненного массива;
положительными результатами опытно-промышленной проверки технологий инъекционного упрочнения массива горных пород с применением передвижной и щитовой инвентарной опалубки, а также широкомасштабного внедрения технологий инъекционного упрочнения в сочетании с традиционными типами крепей.
Личный вклад автора заключается:
- в установлении закономерностей изменения физико-механических
свойств инъекционных растворов на основе вяжущего в виде цемента, фосфо-
гипса и зол-уноса с добавками;
в разработке методики исследований и установлении закономерностей изменения физико-механических свойств упрочненных горных пород в зависимости от свойств монолитных пород, тампонажного камня и его процентного содержания;
в проведении аналитических, лабораторных и натурных экспериментальных исследований по оценке влияния инъекционного упрочнения на работу крепей горных выработок;
в обосновании конструктивных параметров инъекционных крепей, возводимых с использованием передвижной и щитовой инвентарной опалубок;
в разработке конструкций изолирующих опалубок и тампонажного оборудования;
в обосновании, разработке, оценке эффективности и внедрении технологических схем инъекционного упрочнения массива горных пород.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей изменения физико-механических свойств инъекционных растворов на основе вяжущего и упрочненных горных пород с учетом водоотдачи растворов, оптимизации параметров инъекционного упрочнения массива горных пород и обосновании на их основе технологии крепления выработок, исполь-эующей'несущую способность упрочненного массива.
Практическая ценность. Применение разработанных технологических схем инъекционного упрочнения массива горных пород позволяет уменьшить нагрузку на традиционно применяемые крепи, использовать упрочненный массиз в качестве самостоятельной крепи, уменьшить расход металла при креплении выработок металлической крепью с тамлонажным межрамным ограждением и в целом уменьшить трудоемкость и стоимость крепления выработок.
Реализация работы. Основные положения диссертационной работы вошли составной частью в следующие нормативные руководящие документ,.
-
Технологические схемы упрочнения массивов горных пород цементацией при проведении капитальных горных Быработок о зонах геологических нарушений (утв. МУП СССР 10.10.79) / Куэниишахтострой.-Кемерово, 1930.
-
Рекомендации по физико-химическому упрочнению неустойчивых пород при сооружении тоннелей БАМ/ ЦНИУІС.-М., 1930
-
Руководство по производству инъекционных работ при строительстве тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях (одобрено Минтранс-строем СССР) / ЦНИИС.-М., 1933.
-
Руководство по выбору конструктивных и технологических параметров тюбинговой крепи (ГТК) с заполнением закрепного пространства твердеющими смесями для услозий Кузнецкого и Карагандинского бассейнов (РД 12.13.064-87 МУП СССРуКузниишахтострой. - Кемерово, 1987.
-
Методический указания по определению коэффициента трещинозато-сти горного массива вокруг выработок реометричезким и электрометрическим методами (временные)/Кузниишахтострой, КузПИ. - Кемерово, 1988.
3. Руководство по технологии крепления горных выработок с применением опалубки ОМП, основанной на использовании несущей способности упрочненных пород (РД 12.18.088-89 МУП СССР)/Кузииишахтсстрой. - Кемерово, 1990.
-
Каталог единичных расценок на нагнетание цементных растворов при последующей цементации горных пород в зависимости от проницаемости пород: Доп. к сб . ЕРЕР №35 «Горнопроходческие работы», утв. МУП СССР 29.-6.90./Центрогипрошахт.- М., 1990.
-
Методические указания по контролю последующего инъекционного упрочнения горных пород вокруг выработок растворами на оснозе цемента электрометрическим методом/Кузниишахтострой, КузПИ .-Кемерово, 1991.
9 Руководство по технологии возведения металлобзтонной крепи с использованием щитовой инвентарной опалубки /Кузниишахтострсй.-Кемерово, 1997.
Технология инъекционного упрочнения массива горных пород с применением передвижной изолирующей опалубки прешла опытно-промышленную проверку на участках выработок сколествольных дворов гор.+120 м ш. «Киселевская» и гор.-ЮО м ш. «Березовская». Технология возведения металлической крепи с тампонажним межрамным ограждением прошла опытно-промышленную проверку на участке путевого кс-ершлага гор.-2СЮ м ш. «Юбилейная» и участках выработок околоствольного двора ш. «Есаульская» . Технологии таыпонала закрепных пустот и инъекционного упрочнения массива горных пород в сочетании с традиционными типами крепей внедрены но 29 шахтах Кузнецкого и Карзгандинского угольных бассейнов с общей протяженностью выработок 21,3 ш. Фактический экономический эффект от внедрения составил 15, 415 ілпн.руб. (з ценах 1990 г.).
Апрсбацип работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Всесоюзной научно-технической конференции «Пути ускорения строительства и реконструкции предприятий угольной промышпгшюстм Кузбасса» (г.Новокузнецк, 1974); Всесоюзном научно-техническом семинаре «Проведение и крепление горных выработок в уело?.* ях неустойчивых горных пород» (г.Пзвлогрод, 197G); Всесоюзном нчу^
техническом семинаре «Применение новых -зидов крепей для капитальных горных выработок»(г. Междуреченск, 1977); Всесоюзной научно-технической конференции «Совершенствование организации и технологии проведения горизонтальных и наклонных горных выработок» (г.Павлоград, 1983); Всесоюзной научно-практической конференции «Повышение технического уровня проектов, строительного производства и эффективности научных разработок МУП СССР»(г. Кемерово, 1989); Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах (г.Кемерово, 1994); 1Y Международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобыЕ.гащей промышленности» (г. Новокузнецк, 1D97); научно-производственной конференции компании «Росуголь» и АО «Ростовшахтострой» «Проведение вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок при строительстве новых шахт»(г.Шахты, 1997); ежегодных научно-технических советах комбинатов «Кузбассшахтострой» (гг.Новокузнецк, Кемерово, 1974-1997) и «Ростовшахтострой» (г.Шахты, 1992-1997).
Публикации. По теме диссертации опубликованы A3 научные работы, в том числе 1 монография , 18 авторских свидетельств и 3 патента на изобретения.
Обьом работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы из 187 наименований, 2 приложений; изложена на 361 странице машинописного текста, содержит 85 рисунков и 64 таблицы.
