способ проходки горных выработок в сложных горно- геологических условиях

Формула изобретения

Способ проходки горных выработок в сложных горно-геологических условиях, включающий возведение перемычки, упрочнение заходками горного массива в направлении выработки путем бурения продольных и наклонных скважин, выходящих за контур выработки и нагнетание в эти скважины упрочняющих растворов, разрушение горных пород и установку построений крепи, отличающийся тем, что в продольные скважины нагнетают тощий цементно-зольный раствор с отношением цемента к твердой части раствора, равным 0,1 - 0,2, а в наклонные скважины нагнетают жирный цементный раствор.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к угольной и горнорудной промышленности, но может быть использовано в других отраслях, предусматривающих использование горных выработок, например, коммунальном хозяйстве.

Вскрытие и подготовка месторождений полезных ископаемых осложняется зонами геологических нарушений, в которых горные породы находятся в перемятом состоянии. В таких условиях чаще всего наблюдаются повышенные водопритоки, газовыделения, а крепь горных выработок испытывает повышенные нагрузки. Проведение выработок в зонах геологических нарушений без выполнения специальных мероприятий, как правило, сопровождается аварийными ситуациями: внезапные выбросы горной массы, обрушение крепи и т.д.

Известны способы проходки горных выработок в сложных горно-геологических условиях (например, в зоне слабых пород), когда под защитой постоянной крепи в горном массиве возводится временная забивная крепь с помощью проколотов, затем в контуре выработки на небольшую длину производится разрушение и уборка породы и сразу же возводится мощная постоянная крепь (см. авт. св. SU 1624243 A1, М. кл. E 21 D 9/00). Способ очень трудоемок и применим в основном при проходке выработок небольшого сечения.

Известны способы проходки горных выработок при ликвидации аварийных ситуаций (при обрушении горных пород и образовании пустот над участком пройденной выработки), с использованием мощных временных крепей в вывалообразованиях в виде костров и клетей, с последующей их разборкой при возведении постоянной крепи.

Недостатки способов связаны с большими затратами материальных и трудовых ресурсов, повышенной опасностью для рабочих, значительными сроками выполнения работ. Обычно данная технология оказывается малоэффективной, поэтому не всегда удается предотвратить дальнейшее обрушение породных массивов.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ проходки горных выработок в зонах геологических нарушений и слабых горных пород с использованием упрочнения горных пород цементным раствором, когда площадь сечения упрочненных горных пород значительно превышает сечение выработки (см. Производство тампонажных работ при ликвидации аварийных состояний горных выработок //Строительство предприятий угольной промышленности: Обзорная информация. Вып. 7 - М., 1985. С. 6...15).

Характерный для прототипа недостаток - значительный расход цемента, обусловленный желанием перестраховаться в отношении радиуса распространения цементных растворов в законтурном пространстве - затмевал то обстоятельство, что при осуществлении этого способа значительный расход цемента приходится на упрочнение горных пород в сечении выработки, которые при дальнейшей проходке разрушали и удаляли из выработки.

С развитием горной науки и методов диагностики состояния упрочненного горного массива, точным определением гарантированного радиуса упрочнения площадь упрочненного горного массива, включающая сечение горной выработки, постоянно уменьшалась и в настоящее время практически оптимизирована. Но при этом постоянно увеличивалась относительная величина сечения выработки в площади упрочненного горного массива, также экономическая нецелесообразность упрочнения горного массива в площади сечения выработки.

Цель настоящего изобретения - снижение расхода цемента на упрочнение горного массива при проходке выработок в сложных условиях, включающей возведение перемычки, упрочнение массива в сечении выработки, упрочнение горного массива за контуром выработки, разрушение горного массива в сечении выработки, возведение постоянной крепи, - достигается тем, что упрочнение горных пород в сечении выработки производят в продольные скважины тощими цементно-зольными растворами с содержанием цемента в твердом растворе, равным 0,1 - 0,2.

Поскольку нагнетание таких растворов в горный массив приводит лишь к слабому замоноличиванию горных пород, не отвечает условиям упрочнения горного массива цементными растворами и не применялось на практике, то отмеченное отличие изобретения является существенным.

На фиг. 1 показано продольное сечение выработки.

На фиг. 2, 3 показано поперечное сечение выработки.

Перед зоной геологических нарушений, слабых горных пород или перед участком выработки в аварийном состоянии возводят бетонную перемычку 1, в сечении выработки бурят на глубину заходки l (4-5 м) скважины 2, параллельные оси выработки, и наклонные скважины 3, выходящие за контур выработки. Затем через продольные скважины 2 производят нагнетание тощих цементно-зольных растворов с содержанием цемента в твердой части раствора, состоящей из цемента и золы, 10-20%.

Нагнетание тощих растворов производят до повышения давления нагнетания, соответствующего радиусу распространения цементного раствора относительно скважины 2.

Твердая часть раствора с таким незначительным содержанием цемента заполняет трещины нарушенных горных пород или пустоты между обрушившимися кусками породы, а вода раствора отфильтровывается в трещины массива за пределы расчетного радиуса распределения твердой части раствора в сечении выработки.

Горные породы в сечении выработки с трещинами или пустотами между кусками породы, заполненные твердой частью нагнетаемого цементно-зольного раствора, представляют собой слабо замоноличенный горный массив с прочностными свойствами, незначительно превышающими свойства цементно-зольного камня (3-5 МПа), и с точки зрения прочности удовлетворяют лишь требованиям устойчивости забоя при его разрушении при полном отсутствии горного давления.

После нагнетания через скважины 2 тощих цементно-зольных растворов производят нагнетание через скважины 3 "жирных" цементных растворов с большим содержанием цемента. При этом горный массив на определенном расстоянии от контура выработки представляет собой хорошо упрочненный (сильно замоноличенный) массив с прочностными свойствами, превышающими и прочность трещиноватого или разрыхленного горного массива в отдельности.

Толщина упрочненного горного массива 5 за контуром выработки определяется расчетным путем. Состояние горного массива 4 в сечении выработки изменяется при нагнетании цементных растворов через скважины 3 незначительно в сторону увеличения прочности цементно-зольного камня, так как нагнетание растворов через скважины 3 производят для набора большего радиуса упрочнения при большем давлении.

Распространение "жирных" цементных растворов, нагнетаемых через скважины 3, происходит в основном от контура выработки и лишь незначительно во внутрь выработки, так как ранее слабо замоноличенный через скважины 2 горный массив 4 препятствует распространению растворов, нагнетаемых через скважины 3.

После упрочнения описанным способом горных пород на глубину заходки l = 4 - 5 м производят упрочнение на глубину следующей заходки, путем разбуривания скважин 2 и бурения под определенным углом новых скважин 3 и т.д., до упрочнения горных пород на длину участка L = 40 - 50 м или всей зоны геологического нарушения в направлении выработки.

Затем разбуривают перемычку 1 и проходят выработку обычным способом с шагом возведения постоянной крепи, соответствующим прочности укрепленного массива и горному давлению.

Под защитой постоянной крепи возможно осуществление последующего упрочнения горного массива, если, например, разрушение горного массива в сечении выработки производят буровзрывным способом.

Предлагаемый способ проходки горных выработок позволяет экономить 25 - 40% цемента.