Упрочнение бокового штрека полиуретаном и магнезиальными вяжущими

18.03.2020

Неполное заполнение закрепного пространства при проведении штрека ведет к недостаточному подпору породных слоев кров ли и последующему разупрочнению приконтурного породного массива при приближении лавы На сопряжении штрека с лавой и в машинной нише нередко происходят вывалы пород из нарушенной кровли. Заблаговременное нагнетание тампонажных растворов в породный массив имеет целью упрочнить нарушенные породы или же по меньшей мере сохранить их устойчивость на период прохода лавы.

Для кратковременного закрепления пород применяется преимущественно полиуретан — двухкомпонентный быстротвердеющий полимерный состав. Наряду с высокой склеивающей способностью он обладает большой эластичностью, которая зависит в основном от коэффициента вспенивания.

Для длительного упрочнения нарушенных пород, подвергающихся значительному горному давлению, необходимы тампонажные растворы, которые наряду с высоким сцеплением с горными породами обладают большой прочностью на сжатие.

Тампонажные растворы обоих типов нагнетаются в скважины с помощью высоконапорных насосов и герметизаторов скважин. Расположение инъекционных скважин и расстояние между ними определяются степенью нарушенности породного массива и свойствами (текучестью) упрочняющего состава.

В связи с тем, что упрочнение пород полиуретаном достаточно подробно освещено выше, основное внимание в настоящем разделе уделено упрочнению пород магнезиальными вяжущими.

Разработанное компанией «Саарбергверке» магнезиальное вяжущее является, подобно цементному вяжущему, неорганическим тампонажным материалом, пригодным для упрочнения как угля, так и боковых пород. Тампонажный раствор, приготовленный на основе магнезиального цемента «Сорель», состоит из концентрированного раствора хлорида магния, жженой магнезии и бентонитовой муки Характеристики схватывания и механические свойства магнезиального вяжущего определяются, в частности, видом и количеством окиси магния. Магнезиальный тампонажный раствор, состоящий из 53% (но массе) концентрированного раствора MgCl2, 31% жженой магнезии и 16% бентонита при температуре 25°C схватывается в течение 3 ч. Через 24 ч тампонажный камень достигает предела прочности на сжатие 30 МПа и на растяжение при изгибе 10 МПа. При более высокой температуре процесс схватывания ускоряется, а конечная прочность достигается раньше.

При экспериментах по упрочнению угольного массива и боковых пород удавалось восстанавливать в течение 24 ч первоначальную агрегатную прочность материала независимо от ширины раскрытия трещин. Сцепление вяжущего с поверхностями скольжения пока еще недостаточно велико по сравнению со сцеплением с поверхностями трещин изломов.

Магнезиальные тампонажные растворы применяются в Саарском бассейне для упрочнения угольных массивов, а в Рурском бассейне — для упрочнения боковых пород.

Преимущественной областью применения магнезиального вяжущего является, наряду с упрочнением приконтурного массива в капитальных горных выработках, упрочнение контура выемочных штреков на сопряжении с лавой. Упрочнение контура выемочных штреков особенно необходимо при их повторном использовании.

В одном из случаев до применения упрочнения на каждом метре длины выемочного штрека из его кровли и боков вываливалось не менее 2 м3 породы Благодаря упрочнению как магнезиальным вяжущим, так и полиуретаном, объем вывалов был уменьшен до 0,3 м3.

Для упрочнения нарушенных породных слоев в боку штрека примерно в 50 см над кровлей пласта бурят восстающие инъекционные скважины. Их длина определяется буримостью пород и глубиной подлежащей упрочнению зоны.

Хотя при применении магнезиальных тампонажных растворов скважины можно бурить с промывкой водой, при сильно нарушенных и размокающих породах следует использовать сухое бурение. Расстояние между инъекционными скважинами выбирается в зависимости от степени нарушенности пород.

До сих пор на практике встречались три типа нарушенных пород. При мелкоблочном разрушении вследствие относительно высокого сопротивления фильтрации тампонажного раствора вокруг скважины образуется широкий инъекционный конус. Расстояние между скважинами принимается в подобном случае по минимальной глубине упрочняемой зоны. Для такого типа нарушенных пород, наиболее благоприятного для применения магнезиальных тампонажных растворов, расстояние между инъекционными скважинами составляет 3—6 м.

При крупноблочном разрушении с образованием открытых в сторону штрека широких трещин образуются острые инъекционные конусы. Скважины следует бурить с меньшим интервалом (1—4 м). Из-за малого сопротивления фильтрации тампонажный раствор преждевременно начинает вытекать из раскрытых трещин, частичное просачивание раствора наблюдается также из уже затампонированных трещин. В подобных случаях тампонирование может быть успешным, если открытые в сторону штрека трещины будут предварительно закупорены, например, слоем набрызгбетона. В настоящее время утечки тампонажного раствора из трещин компенсируются дополнительным (повторным) тампонированием.

При третьем типе нарушенных пород (который характерен например, для выемочных штреков по пласту «Диккебанк») трещины не раскрываются даже после прохода лавы. Для успешного упрочнения таких пород целесообразно нагнетание под высоким давлением, обеспечивающим раскрытие всей системы трещин и возможность проникновения упрочняющего раствора в массив. Такие породы являются предельным случаем применения любого метода упрочняющего тампонирования.

Инъекционные скважины должны располагаться таким образом, чтобы они пересекали все подлежащие упрочнению слои пород. Практика показывает, что через одну скважину можно упрочнить породные слои толщиной около 1,5 м. Если кровля пласта на контуре выемочного штрека нарушена на большую высоту или же в лаве образуются вывалы, инъекционные скважины следует бурить так, чтобы каждая вторая скважина достигала пород выше полости вывала.

Подобный случай расположения инъекционных скважин показан на рис. 7.58. На контуре штрека глинистый сланец, находившийся над пластом мощностью 1,2 м, обрушался в лаве на высоту до 2,8 м (вплоть до залегавшей выше него толщи песчаника). Перед подходом лавы из штрека бурили инъекционные скважины на расстоянии 1—1,5 м одна от другой таким образом, что каждая вторая скважина доходила до плоскости ослабления на контакте с песчаником. После тампонирования удалось упрочнить кровлю в лаве по всей длине вывала.
Упрочнение бокового штрека полиуретаном и магнезиальными вяжущими

Как показала практика, инъекционные скважины оказалось наиболее целесообразным бурить в упрочняемые породы примерно в 10 м перед лавой перпендикулярно к оси штрека с небольшим подъемом. Глубина скважин в 2—3,5 м определялась применявшейся техникой бурения.

Вследствие малой вязкости магнезиального тампонирующего раствора нагнетание рекомендуется осуществлять с подачей в наиболее глубокую часть скважины. Поэтому инъектор вводили в скважину на полную длину и герметизировали.

Закачивание тампонажного раствора в скважину прекращали:

- в случае благоприятных условий тампонирования при «запотевании» поверхности породы вокруг скважины на значительной площади;

- в случае менее благоприятных условий тампонажа при просачивании раствора в штрек через широкие трещины; при превышении объема закачиваемого в одну скважину раствора 500 л (в подобных случаях следует предполагать утечку раствора в глубь массива по раскрытым трещинам);

- при давлении нагнетания, равном развиваемому насосом давлению.

Разработанный компанией «Саарбергверке» метод упрочнения горных пород магнезиальными вяжущими исследовался в институте «Бергбау-форшунг» в отношении прочности сцепления затвердевшего магнезиального вяжущего с породами. Результаты этих исследований имеют важное значение для практического применения магнезиальных вяжущих при упрочнении нарушенных пород в шахтах.

Мерой прочности скрепления породы магнезиальным вяжущим является прочность на растяжение при изгибе предварительно разломленной при изгибе и затем «склеенной» магнезиальным вяжущим породной призмы. Для магнезиальных вяжущих эта прочность составляет от одной третьей до одной шестой прочности на сжатие, так что последняя может служить мерой прочности скрепления. Как показали лабораторные испытания, скрепляющее действие проявляется тем раньше, а прочность скрепления бывает тем выше, чем теплее магнезиальный раствор после перемешивания и чем выше темпера тура среды, в которой он находится после закачивания в скважину.

В одной из серий экспериментов температура раствора после перемешивания составляла всего лишь 20°С. При температуре среды во время схватывания, также равной 20 С, скрепляющее действие магнезиального вяжущего проявлялось лишь через 5—7 ч. При температуре внешней среды 400C скрепляющее действие начало сказываться уже через 3 ч, при температуре 600C — через 2 ч. Наиболее эффективно упрочнение пород при температуре 60°С. Однако следует отметить, что уже при 400C предел прочности скрепления призмы размером 4х4х16 см после 7 ч затвердевания раствора составлял 11,5 МПа, Если приготовить магнезиальный раствор при температуре 80 0C и оставить его затвердевать при такой же температуре, то уже через 1 ч предел прочности скрепления достигает 3,5 МПа, через 2 ч — 18,3 МПа и через 5 ч — 30 МПа.

По результатам лабораторных экспериментов можно судить о прочности упрочненных методом тампонирования пород. При температуре воздуха на добычном участке 32°С (такова же температура воды и тампонажного материала) тампонажный раствор нагревается при перемешивании до 360C. Закачиваемый в скважину раствор с такой температурой попадает в среду с температурой 50°С, способствующей ускорению затвердевания. Скрепляющее действие тампонажа начинает проявляться уже через 2 ч. Через 3 ч после нагнетания предел прочности на сжатие достигает 8 МПа, повышаясь в течение смены до 16 МПа.

Эксперименты показывают, что магнезиальные тампонажные растворы, особенно на участках с высокой температурой пород в массиве, в течение короткого времени обеспечивают достаточно высокую прочность скрепления обрабатываемых пород.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна