СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ ВЫРАБОТКИ Российский патент 1996 года по МПК E21D11/00 

Изобретение относится к горно-рудной промышленности и может быть использован при креплении капитальных горных выработок в сочетании с инъекционным упрочнением горных пород.

Известен способ инъектирования горных пород и создания тем самым вокруг выработки несущей оболочки из зацементированных пород, включающий бурение скважин, определение распределения по скважине поглощающей способности пород, искусственное изменение гидродинамического сопротивления пород пропорционально поглощающей способности и нагнетание цементного раствора в скважины (авт. св. N 1460290, МКИ Е 21 D 1/16, приоритет 30.06.87). Данный способ позволяет обеспечить равномерное распространение раствора от нагнетательной скважины в породном массиве с неоднородной трещиноватостью, что способствует повышению качества инъектирования, и в конечном счете повышению устойчивости выработки. Данный способ трудоемок, поскольку требует большого объема буровых работ, измерений поглощающей способности пород и изменения их гидродинамического сопротивления. При этом тампонирование пород, как правило, ведут параллельно с установкой обычной крепи капитальных выработок (бетонной, арочной металлической с затяжкой). Поэтому данный способ приводит к нерациональному расходу цемента в случаях, когда для обеспечения устойчивости выработки не требуется цементировать массив на всю глубину зоны нарушенных пород.

Известен также способ крепления горных выработок породобетонной крепью, сочетающий цементацию пород с облегченными конструкциями крепи, включающий установку рамной металлической крепи с затяжкой вслед за подвиганием забоя, монтаж опалубки с нагнетательными патрубками, приготовление смеси на основе цемента, нагнетание смеси в заопалубочное пространство и образование тем самым облицовочно-несущей оболочки путем омоноличивания рам крепи между собой и с горной породой (см. Разработки лаборатории проходки горных выработок специальными способами. Кемерово. КузНИИшахстрой, 1991). Данный способ не предусматривает бурения скважин и нагнетания в них скрепляющих растворов, кроме участков со сложными горно-геологическими условиями. Тампонажный цементно-песчаный раствор нагнетают в заопалубочное пространство при минимальном давлении, не превышающем 0,1 МПа. При этом раствор, заполняя пространство между опалубкой и контуром выработки, частично распространяется по трещинам в глубь породного массива. Возведенная таким образом крепь включает 3 слоя: металлический контур рамной крепи; железобетонная оболочка; зацементированная порода. Данный способ менее трудоемок, а также дает возможность более рационально расходовать строительные материалы (металл и цемент).

Принимаем данный способ за прототип.

Недостаток прототипа состоит в следующем. Несущая способность возведенной крепи в значительной степени зависит от толщины слоя зацементированной породы. В реальных условиях толщина этого слоя изменяется в диапазоне от 0,1 до 1,5 м в зависимости от типа породы и ее естественной нарушенности, технологии проходки выработки, геомеханического влияния соседних выработок, состава смеси, давления и других факторов. Глубина проникновения цементного раствора определяется трещинной проницаемостью пород. Способ-прототип не позволяет учесть неоднородность горных пород в приконтурной зоне выработки, что приводит в результате к неравнопрочности облицовочно-несущей оболочки и фактическому перерасходу материалов (металла и раствора).

Цель изобретения снижение расхода материалов при сохранении равнопрочности облицовочно-несущей оболочки за счет учета частичного упрочнения пород при тампонаже заопалубочного пространства.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем установку рамной металлической крепи с затяжкой, монтаж опалубки с нагнетательными патрубками, приготовление смеси на основе цемента, нагнетание смеси в заопалубочное пространство и образование тем самым облицовочно-несущей оболочки путем омоноличивания рам крепи между собой и с горной породой, до установки крепи и монтажа опалубки дополнительно измеряют распределение трещинной проницаемости пород по нормали к поверхности выработки по всей длине участка крепления, расчетную нагрузку на облицовочно-несущую оболочку крепи уменьшают пропорционально трещинной проницаемости пород, а параметры крепи изменяют в соответствии с уменьшенной нагрузкой.

Поставленная цель достигается также тем, что распределение трещинной проницаемости пород по нормали к поверхности выработки определяют по изменению эффективного удельного электросопротивления (УЭС), измеренного путем электрического профилирования на поверхности выработки.

Поставленная цель достигается также тем, что изменение параметров крепи в соответствии с уменьшением расчетной нагрузки на облицовочно-несущую оболочку пропорционально трещинной проницаемости пород реализуют путем увеличения расстояния между рамами крепи, уменьшения расстояния между опалубкой и поверхностью выработки, уменьшения содержания цемента в смеси или снижения марки цемента.

На фиг. 1 представлена схема расположения оборудования по заявляемому способу и прототипу; на фиг.2- схемы электрического профилирования на поверхности выработки для определения трещинной проницаемости пород; на фиг. 3 графики изменения по длине участка крепления УЭС пород ρ, коэффициента трещинной проницаемости k, расстояния между рамами крепи А, расстояния между опалубкой и поверхностью выработки a, прочности раствора.

На чертежах обозначено: 1 рамная металлическая крепь с решетчатой затяжкой; 2 опалубка; 3 нагнетательные патрубки; 4 нагнетательная установка; 5 пространство между опалубкой и контуром выработки; 6 - трещиноватая зона нарушенных пород; 7 цементно-песчаный раствор; 8 зона цементации трещиноватых пород; 9 электроды для электрометрических измерений в выработке; 10 силовые линии электрического поля; 11 соединительные провода; 12 измерительное устройство (каротажный прибор); 13 направление перемещения электродов по профилю; 14 забой выработки.

Способ осуществляют следующим образом.

Вслед за подвиганием забоя выработки 14 в незакрепленном пространстве измеряют эффективное УЭС пород r путем установки на поверхность выработки электродов AMNB параллельно забою 14, подключения их соединительными проводами 11 к прибору 12 и снятия замеров. При расположении электродов AMNB так, как показано на фиг. 2, радиальные трещины в зоне нарушения пород, ориентированные по нормали к контуру выработки, перпендикулярны к линиям тока 10, и величина r пропорциональна коэффициенту трещинной пустотности m:
(1)
где r_п УЭС породы без трещин, Ом•м;
К_в поправочный коэффициент, учитывающий влияние поверхности выработки;
ξ средняя относительная площадь скального контакта между берегами трещин, отнесенная к единице площади их поверхности.

Определяют среднее значение r_ср результатов измерений по профилю в бортах и кровле выработки, вычисляют средний по сечению (профилю) коэффициент трещинной проницаемости по нормали к поверхности выработки по формуле
k = 0,043•10¹²•m^2,1•δ², дарси, (2)
где δ среднее раскрытие трещин, принимаемое равным 10^-3 м.

Определяют уменьшение расчетной нагрузки на облицовочно-несущую оболочку за счет частичного упрочнения горных пород
(3)
где α гидродинамическая постоянная, м/(МПа•дарси);
Р_н давление нагнетания цементно-песчаного раствора, МПа;
s_ц предел прочности на сжатие зацементированной породы, МПа;
R_в приведенный радиус выработки, м.

В соответствии с полученным значением ΔP изменяют параметры крепи на участке крепления выработки одним из следующих способов: увеличением расстояния А между рамами крепи; уменьшением среднего расстояния a между опалубкой и поверхностью выработки; снижением прочности σ (марки) раствора. Значения А, a и s определяют по следующим формулам (см. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи) ВНИМИ, ВНИИОМШС. М. Стройиздат, 1983. 272 с.).

(4)
(5)
(6)
где N_s несущая способность рамы спецпрофиля, приведенная к 1 м выработки, МПа•м;
σ_Б прочность бетона оболочки крепи на одноносное сжатие, МПа;
P расчетная нагрузка на крепь, МПа.

После проведенных операций на закрепленном участке выработки устанавливают рамную металлическую крепь 1 (фиг. 1), опалубку 2 с нагнетательными патрубками 3, при этом параметры крепи принимают скорректированными. Нагнетательную установку 4 подсоединяют к патрубкам 3 и нагнетают приготовленный цементно-песчаный раствор 7 в пространство между опалубкой 2 и контуром выработки. Водоцементный раствор, проникая в трещины зоны нарушенных пород 7, образует зону цементации 8, которая после окончания нагнетания образует дополнительную несущую оболочку из зацементированной породы. Тем самым обеспечивается равнопрочность крепи в целом при облегчении металлической и бетонной части крепи.

При подвигании забоя выработки 14 электроды AMNB 9 снова устанавливают в незакрепленном пространстве параллельно забою, производят электрическое профилирование в бортах и кровле выработки (фиг. 2). Таким образом, профили располагают на отдельных участках крепления по контуру выработки в ее поперечном сечении, а при переходе от участка к участку параллельно оси выработки.

В дальнейшем производят описанные выше операции на новом участке крепления. На фиг. 3 приведены графики изменения измеренного параметра ρ и рассчитанных по формулам (2), (4)-(6) параметров А, a и s по длине выработки l (A_o, a_o, s_o значения параметров по проекту).

Следует отметить, что дополнительная операция заявленного способа - измерение трещинной проницаемости пород, в принципе известна. Например, в способе-аналоге предусмотрено определение распределения по длине скважины поглощающей способности породного массива путем гидродинамического опробывания или геофизических измерений. Однако известность данной операции не означает применения ее в заявляемом способе по прямому назначению с получением известного эффекта. Существенность отличия заявленного способа состоит в следующем. В способе-аналоге поглощающую способность пород определяют во всех направлениях от скважины, пробуренной в массиве. В предлагаемом способе измерение распределения трещинной проницаемости пород производят в определенном направлении, а именно по нормали к поверхности выработки по всей длине участка крепления. Именно этот режим осуществления данной операции позволяет определить глубину частичного упрочнения горных пород при тампонаже заопалубочного пространства и уменьшить расчетную нагрузку на облицовочно-несущую оболочку, т.е. в итоге получить новый способ крепления выработки, обеспечивающий достижение поставленной цели. Применение операции в известном режиме не обеспечивает получение нового эффекта.

Осуществляют данный режим операции путем электрического профилирования на поверхности выработки и регистрации изменения по профилям эффективного удельного электросопротивления пород.

Пример. В квершлаге сечением в проходке 22,4 м² на участке длиной 230 м проводили крепление породобетонной крепью. Согласно геологическим данным, вмещающие породы были представлены участком N 1 алевролита слаботрещиноватого средней крепости и устойчивости длиной 72 м, участком N 2 песчаника мелкозернистого крепкого среднеустойчивого длиной 78 м, участком N 3 алевролита с прослоями угля, а песчаника и углистого алевролита с хаотичной трещиноватостью длиной 70 м.

С целью тарировки электрометрического метода в массиве алевролита провели измерения коэффициента трещиной пустотности реометрическим методом эквивалентных отверстий (Методические указания по определению коэффициента трещиноватости горного массива вокруг выработок реометрическим и электрометрическим методами. Кемерово, 1988, с. 8-9). Величина m определялась по скорости падения сжатого воздуха в шпуре глубиной 0,5 м с герметизацией его устья. Затем на данном участке провели замер ρ симметричной установкой AMNB с расстояниями AM MN NB 0,33 м. Соотношение 1,15 •10³ Ом• м. При проходке выработки измерения проводили по схеме на фиг. 1 в начале каждого из участков. Применяемая аппаратура описана в "Методических указаниях по контролю последующего инъекционного упрочнения горных пород вокруг выработок растворами на основе цемента электрометрическим методом. Кемерово, 1991". Значения результатов измерений и расчетов параметров ρ, m, k и DP приведены в таблице (в расчетах принято α 0,02 м/МПа • дарси; Р_н 0,1 МПа; s_ц 20,0 МПа; R_в 2,6 м).

В закрепляемой выработке сечением в проходке 22,4 м², в свету - 19,2 м², шириной 5,5 м по проекту по всей длине должна была применяться рамная металлическая крепь типа СВП-27 с шагом 0,5 м (N_s 330 кН/раму 5,4 МПа • м), что соответствует расчетной нагрузке на крепь Р 10,8 МПа. Толщина бетонного облицовочного слоя составляла а 0,1 м. На основании проведенных измерений было принято решение увеличить расстояние между рамами крепи А. В результате расчета по формуле (4) получим для участка N1: для участка N2: для участка N3:
Таким образом, на материалах (металлическая крепь) было сэкономлено 21,1% затрат на крепление.

Способ относится к горно-рудной промышленности и может быть использован при креплении капитальных горных выработок в сочетании с инъекционным упрочнением горных пород. Вслед за подвиганием забоя выработки в незакрепленном пространстве измеряют эффективное удельное электросопротивление пород путем электрического профилирования на поверхности выработки. По измеренной величине определяют коэффициент трещинной проницаемости пород по нормали к поверхности выработки и уменьшение расчетной нагрузки на крепь. В соответствии с уменьшенной нагрузкой измеряют расчетные параметры крепи одним из следующих способов: увеличением расстояния между рамами крепи, уменьшением среднего расстояния между опалубкой и поверхностью выработки, снижением прочности раствора. После проведенных операций на участке выработки устанавливают рамную металлическую крепь, опалубку с нагнетательными патрубками, при этом параметры крепи принимают скорректированными. Нагнетательную установку подсоединяют к патрубкам и нагнетают подготовленный цементно-песчаный раствор в пространство между опалубкой и контуром выработки. Водоцементный раствор, проникая в трещины зоны нарушенных пород, образует зону цементации, которая после окончания нагнетания образует дополнительную несущую оболочку из зацементированной породы. Способ позволяет обеспечить равнопрочность сталебетонной крепи при облегчении металлической и бетонной части крепи. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.,1 табл.

1. Способ крепления выработки, включающий установку рамной металлической крепи с затяжкой вслед за подвиганием забоя, монтаж опалубки с нагнетательными патрубками, приготовление смеси на основе цемента, нагнетание смеси в заопалубочное пространство с образованием облицовочно-несущей оболочки путем омоноличивания рам крепи между собой и горной породой, отличающийся тем, что до установки крепи и монтажа опалубки дополнительно измеряют распределение трещинной проницаемости пород по нормали к поверхности выработки по всей длине участка крепления, расчетную нагрузку на облицовочно-несущую оболочку уменьшают пропорционально трещинной проницаемости пород, а параметры крепи изменяют в соответствии с уменьшенной нагрузкой. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что распределение трещинной проницаемости пород от поверхности выработки определяют по изменению эффективного удельного электросопротивления, измеренного путем электрического профилирования на поверхности выработки. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изменение параметров крепи в соответствии с уменьшением расчетной нагрузки на облицовочно-несущую оболочку пропорционально трещинной проницаемости пород реализуют путем увеличения расстояния между рамами крепи, уменьшения расстояния между опалубкой и поверхностью выработки, уменьшения содержания цемента в смеси или снижения марки цемента.