способ создания породной крепи горной выработки

Формула изобретения

Способ создания породной крепи горной выработки, включающий бурение сетки шпуров в пределах отдельных заходок, установку герметизаторов, последовательное нагнетание в шпуры смол со временем твердения на воздухе в течение 45-180 с, например, полиуретана, отличающийся тем, что шпуры бурят на глубину 0,4-0,5 м, нагнетание смолы в шпур прекращают при выдавливании смолы на поверхность породы на расстояние от шпура, равном 0,7-0,8 расстояния между соседними шпурами, а затем бурят дополнительные шпуры для тампонирования породного массива подвижными твердеющими смесями.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, а именно к строительству подземных сооружений, в частности, к созданию крепи горных выработок в трещиноватых породах.

Известны способы создания (возведения) породной крепи горной выработки (см. авторские свидетельства СССР № № 629347, 985304, МПК E21D 11/00), включающие возведение в горной выработке временной крепи-опалубки, бурение через нее шпуров в трещиноватом породном массиве, нагнетание через шпуры цементного раствора (тампонаж), образование облицовочно-несущей оболочки в заопалубном пространстве из излившейся через трещины на поверхности контура выработки цементного раствора с высоким водоцементным соотношением и удаление через отверстия в опалубке жидкой фазы (воды) излившегося цементного раствора.

Недостаток известных способов заключается в сложной технологии их осуществления, необходимости монтажа и демонтажа крепи-опалубки, что увеличивает стоимость крепления горной выработки.

Известен способ создания породной крепи горной выработки (см. авторское свидетельство СССР № 953213, МПК E21D 11/10), включающий закупоривание трещин поверхности выработки путем набрызга скрепляющего раствора слоем расчетной толщины, нанесение на слой набрызга синтетической пленки в виде латексного покрытия, бурение скважин и тампонаж приконтурного массива.

Недостаток такого способа заключается в незначительной закупорке развитых трещин поверхности выработки и возможности локального проникновения жидкой фазы (воды) тампонажного раствора под давлением до 80-90 бар под слой набрызга скрепляющего материала и отделение его плитами большого размера от поверхности породы выработки с последующим дренажем тампонажного раствора в горную выработку.

К тампонажным растворам на основе синтетических смол и применяемых для упрочнения грунтов и пород предъявляются многообразные требования: растворы должны обладать высокой проникающей способностью в трещины и поры породы; сроки схватывания раствора (гелеобразование) должны быть в известных пределах; растворы должны переходить в твердое состояние при нормальных и пониженных положительных температурах в течение непродолжительного промежутка времени; закрепленные смолами породы должны быть прочными и долговечными, устойчивыми в агрессивной среде и водонепроницаемыми; растворы должны быть нетоксичными, безопасными в обращении и неспособными воспламеняться; растворы должны хорошо растворяться в воде и не обладать коррозионной способностью по отношению к частям и материалам инъекционного оборудования; тампонажные растворы не должны заражать подземную воду.

Отвечающий всем перечисленным требованиям и наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ создания породной крепи путем тампонажа породного массива вокруг выработки смолами со временем отвердения 40÷180 сек слоя выступившей на поверхности выработки смолы, например, полиуретановой или эпоксидной.

Ближайший к изобретению способ создания породной крепи горной выработки заключается в следующем.

В пределах очередной заходки создания породной крепи длиной 3 или 6 м бурят шпуры глубиной 2,5 м. Шпуры бурят рядами через 1,5 м. В соседних рядах шпуры располагают в шахматном порядке. Расстояние между шпурами в ряду 1,5 м. В шпуры устанавливают пластиковые трубки и герметизаторы. К загрузочной пластиковой трубке подключают нагнетательное оборудование и производят нагнетание полиуретановой смолы, которая образуется путем смешивания перед герметизатором двух жидких компонентов, которые в объемном соотношении 1:1 при помощи насоса подаются раздельно по шлангам.

Один из компонентов может представлять смесь различных полиолов и присадок, другой - полизоциант на основе дифинилметандиизоцианта. Полиуретановая смола нагнетается в породный массив под давлением 80-90 бар. Но вначале смола под небольшим давлением заполняет шпур и по развитым трещинам в приконтурном слое породы устремляется к поверхности породы и во все стороны перпендикулярно оси шпура. Выдавленная на поверхность породы смола (полиуретан) практически мгновенно затвердевает, образуя расползающийся от шпура слой затвердевшей смолы толщиной (1÷15)·10^-3 м, препятствующий в силу больших сил сцепления с породой выдавливанию смолы на поверхность породы.

Характерной особенностью тампонажа быстротвердеющих смесей является резкое, скачкообразное увеличение давления нагнетания при заполнении смолой трещин приконтурного слоя породы на расстоянии 1-1,2 м от оси шпура, после чего начинается тампонаж породного массива по всей длине шпура при давлении нагнетания до 80-90 бар. Время смолизации (тампонажа смолами) горных пород через один шпур определяют исходя из объема трещин на определенном расстоянии от шпура, длины шпура и производительности применяемого насоса.

К недостаткам прототипа следует отнести высокую стоимость упрочнения породного массива быстротвердеющими смолами, обусловленную высокой стоимостью смолы, большим количеством неизвлекаемых (замоноличенных) герметизаторов шпуров, применением специального инъекционного оборудования высокого давления.

Недостатком прототипа является и то, что после скачкообразного повышения давления нагнетания происходит не только тампонаж породного массива вокруг шпура, но и тампонаж приконтурного слоя вокруг соседних завоздушенных шпуров с попаданием в них смолы, твердение которой исключает качественный тампонаж отдельных участков породного массива вокруг выработки.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение «Способ создания породной крепи горной выработки», следует считать уменьшение стоимости упрочнения породного массива вокруг выработки за счет уменьшения объема тампонажа дорогих быстротвердеющих смол, возможность извлечения и повторного использования герметизаторов (пакеров) шпуров, упрощения инъекционного оборудования.

В «Способе создания породной крепи горной выработки», включающем известные признаки: бурение сетки шпуров в пределах отдельных заходок, установку герметизаторов шпуров, последовательное нагнетание в шпуры смол со временем твердения на воздухе в течение (45÷180) сек, например, полиуретана, технический результат достигается за счет того, что шпуры для нагнетания быстротвердеющей смолы бурят на глубину 0,4-0,5 м, а нагнетание смолы прекращают после выдавливания ее на поверхность выработок от шпура на расстояние 0,7-0,8 расстояния между соседними шпурами, а после тампонажа приконтурного слоя заходки бурят дополнительные шпуры для тампонажа породного массива подвижными твердеющими смесями.

Способ поясняется чертежом, на котором схематично показано продольное сечение горной выработки.

Сущность способа заключается в следующем.

При нагнетании быстротвердеющей смеси (полиуретана) через короткие шпуры 1 глубиной 0,4-0,5 м в первую очередь происходит заполнение развитых трещин приконтурного слоя 2 породы и выдавливание на поверхность выработки небольшого количества смолы 3, которая практически мгновенно твердеет.

Таким образом, происходит тампонаж (смолизация) вокруг шпура приконтурного слоя 2 толщиной до 0,5 м с определенным радиусом распространения смолы. После выдавливания смолы на поверхность породы на расстояние l_c от шпура, равное 0,7÷0,8 расстояния l между соседними шпурами, прекращают нагнетание смолы и приступают к нагнетанию смолы (полиуретана) через соседний шпур. После нагнетания быстротвердеющей смолы через все шпуры заходки l₃ образования породной крепи в ее пределах образуется качественно затампонированный приконтурный слой 2 породы незначительной толщины, на образование которого расходуется небольшой объем дорогой быстротвердеющей смолы (например, полиуретана).

Затем через затампонированный приконтурный слой 2 породы бурят дополнительные шпуры 4 глубиной 2,5-3,0 м и расстоянием между шпурами до 3 м. Эти шпуры используют для тампонажа породного массива вокруг выработки различными твердеющими дешевыми смесями с высокой степенью подвижности, например, цементами. При этом исключается дренаж подвижных твердеющих смесей в выработку и обеспечивается качественное тампонирование породного массива за приконтурным слоем породы.

Нагнетание смолы под небольшим давлением и в течение короткого промежутка времени исключает плотное замоноличивание герметизаторов, что позволяет извлечь их из использованных шпуров для дальнейшего применения.

Способ создания породной крепи горной выработки прост в осуществлении технологических процессов и использовании дешевых материалов и инъекционного оборудования.