СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК E21D21/00 

Изобретение относится к горному делу, в частности к анкерному креплению и инъекционному упрочнению блочно-структурированного трещиноватого массива горных пород.

Известен способ крепления горных выработок, включающий бурение шпуров, установку в них инъекционных анкеров, нанесение слоя набрызгбетона и нагнетание в породы вяжущего раствора после периода смещения пород на контуре выработки в пределах величины, допускаемой анкерной крепью, время которого определяют по формуле [АС СССР №987108, опубл. 07.01.1983 г., бюл. №1].

Недостатками данного способа является то, что трещины и расслоения пород частично остаются не заполнены нагнетаемым вяжущим раствором, так как технологически не предусмотрен дренаж отфильтровываемой в процессе заполнения трещин жидкой фазы раствора. В том числе, при запрессовке в скважину фрикционного трубчатого анкера типа «сплит-сет» продольный разрез его стенки практически полностью смыкается, препятствуя нормальному инъецированию вяжущего раствора и его распространению по трещинам в ожидаемом количестве. Конструктивно ограниченные усилия распора анкера на стенки скважины и величина радиальных смещений упругой стенки грузонесущего стержня ограничивают область применения и надежность данного вида крепления. Таким образом снижается эффективность упрочнения горных пород.

Известен способ крепления горных выработок, принятый за прототип, включающий бурение скважин, установку и закрепление в их донной части анкеров с опорными элементами, а после смещения пород - нанесение изолирующего покрытия на поверхность выработки и поскважинное нагнетание вяжущего раствора в породы для создания вокруг выработки породобетонной оболочки [SU 1642035 А1, опубл. 15.04.1991 г., бюл. №14].

Недостатками данного способа является то, что трещины и расслоения пород частично остаются не заполнены нагнетаемым вяжущим раствором, так как технологически не предусмотрен дренаж отфильтровываемой в процессе заполнения трещин жидкой фазы раствора, а отсутствие опорных элементов на анкерах во время нагнетания вяжущего раствора не сдерживает процесс расслоения и образования дополнительных трещин разрыва, который частично продолжается и после окончания нагнетания раствора под действием остаточного давления и созданного им объемного внутреннего напряжения горных пород. Нагружение анкерной крепи производят только после 100% набора прочности раствором, что уже не позволяет дополнительно сблизить отдельности горных пород, увеличив тем самым площадь адгезионного контакта и качество заполнения трещин и пустот. Таким образом снижается эффективность упрочнения горных пород.

Известна конструкция анкера с минеральным заполнителем, включающая грузонесущий стержень с опорной головкой на замковом конце, втулку из минерального заполнителя в зазоре между стенками скважины и стержнем, подпорную шайбу, надетую на стержень со стороны устья скважины и выполненную эксцентричной в виде втулки с упругими полями, опертыми на стенки скважины, опорные элементы и гайку вне скважины [RU 2166635 С2, опубл. 10.05.2001 г., бюл. №13].

Недостатком данной конструкции является отсутствие возможности адаптации анкера под изменяющиеся по его длине и периметру сечения горной выработки условия, в том числе изменяющуюся трещиноватость массива горных пород, и тем самым влияния на эффективность упрочнения горных пород.

Известна конструкция инъекционного анкера, принятая за прототип, включающая трубчатый грузонесущий стержень с замком в донной части скважины, перфорированным участком внутри скважины, опорную плиту и гайку вне скважины [SU 1642035 А1, опубл. 15.04.1991 г., бюл. №14].

Недостатком данной конструкции является отсутствие возможности адаптации анкера под изменяющиеся по его длине и периметру сечения горной выработки условия, в том числе изменяющуюся трещиноватость массива горных пород, и тем самым влияния на эффективность упрочнения горных пород.

Целью заявляемого изобретения является повышение эффективности упрочнения горных пород.

Указанная цель достигается тем, что в способе крепления горных выработок, включающем бурение скважин, установку и закрепление в них инъекционных анкеров с опорной головкой сыпучим минеральным заполнителем, нанесение на поверхность выработки изолирующего несущего покрытия, поскважинное нагнетание в массив через перфорированную часть инъекционных анкеров цементационного раствора с дренажем отфильтровываемой жидкой фазы и их последующее предварительное натяжение для создания вокруг выработки армированной породобетонной оболочки, согласно изобретению подвижную вдоль оси опорную головку фиксируют на грузонесущем стержне на уровне зоны интенсивной трещиноватости массива с последующим закреплением каждого инъекционного анкера в устьевой части скважин до зоны интенсивной трещиноватости массива, нагнетание цементационного раствора производят через перфорированную часть инъекционных анкеров, расположенную после опорной головки, а дренаж отфильтровываемой жидкой фазы цементационного раствора осуществляют через закрепляющий сыпучий минеральный заполнитель устьевой части скважин.

Указанная цель достигается также тем, что в инъекционном анкере, включающем трубчатый грузонесущий стержень с опорной головкой и перфорированным участком внутри скважины, втулку из сыпучего минерального заполнителя в зазоре между стенками скважины и грузонесущим стержнем, опорную шайбу и гайку вне скважины, согласно изобретению опорная головка выполнена в виде втулки, подвижной вдоль оси с возможностью фиксации через отверстия перфорации на определенном участке грузонесущего стержня.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1-2 показан инъекционный анкер; на фиг.3 показана схема нагнетания вяжущего раствора в породы приконтурной зоны горной выработки; на фиг.4 показана схема закрепленной горной выработки.

Инъекционный анкер состоит из трубчатого грузонесущего стержня 1 с резьбовой устьевой частью вне скважины 2 для навинчивания гайки 3 и тем самым натяжения анкера через опорную шайбу 4, подвижной вдоль оси опорной головки 5, которая для уменьшения податливости инъекционного анкера может быть выполнена с конической наружной поверхностью, фиксирующего элемента, например штифта 6, для фиксации опорной головки 5 на определенном участке грузонесущего стержня 1 через отверстия перфорации 7. Внутри скважины 2 расположена перфорированная часть грузонесущего стержня 1 и часть, закрепляемая сыпучим минеральным заполнителем 8 со стороны устья до опорной головки 5, при этом сыпучий минеральный заполнитель 8 в зазоре между стенками скважины 2 и грузонесущим стержнем 1 образует втулку.

Устройство и способ осуществляют следующим образом. По известным методикам и рекомендациям в зависимости от различных условий проведения горной выработки рассчитывают паспорт крепления, в котором определены схема расположения анкерной крепи, например симметричная веерная, с количеством анкеров в ряду 4 шт., плотность установки анкерной крепи, например, 1 шт. на 1,5 м² поверхности выработки, длина анкеров, например, 1,8 м, тип вяжущего раствора, например цементного, обеспечивающего необходимую прочность на сжатие образцов получаемого породобетона, например, 15 МПа, изолирующее несущее покрытие поверхности горных выработок, например набрызг-полимерное крепление Тефлекс (продукт фирмы Минова КарбоТех Гмбх, Германия), толщиной 4-6 мм, сыпучий минеральный заполнитель, например кварцевый песок с крупностью зерен до 2 мм, а также опорные элементы анкерной крепи, например опорные шайбы и стандартные гайки.

Массив горных пород блочно структурирован и пересечен трещинами 9 разрыва и расслоения. Вслед за подвиганием забоя производят бурение скважин 2, функционально являющихся нагнетательно-дренажными. Скважины 2 вскрывают трещины 9 разрыва и расслоения массива, образуя единую сообщающуюся систему каналов и полостей. По результатам визуального зондирования скважин 2 определяют границы зоны интенсивной трещиноватости (ЗИТ на фиг.2) и с учетом глубины расположения указанной зоны фиксируют опорную головку 5 на грузонесущем стержне 1 инъекционного анкера штифтом 6 через сквозные диаметральные отверстия перфорации 7. Далее инъекционный анкер устанавливают в скважины 2 и производят закрепление, заполняя сыпучим минеральным заполнителем 8 кольцевой зазор между стенкой скважины 2 и грузонесущим стержнем 1 инъекционного анкера на длину не менее 70 см. Промышленное применение данных анкеров возможно, например, при использовании специальной установки механизации процесса закрепления анкеров сыпучими материалами - УЗА CM [RU 2166634 С2, опубл. 10.05.2001 г., бюл. №13], а также других адаптированных пескоструйных аппаратов. Применяемый в качестве сыпучего минерального заполнителя 8 кварцевый песок обладает к тому же фильтрационными для цементационных растворов свойствами. Далее устье скважины 2 подпирают фильтрующим материалом 10, например паклей. На поверхность горной выработки по известной технологии наносят набрызг-полимерное крепление 11 толщиной 4-6 мм, оставляя свободными устья скважин 2. Набрызг-полимерное крепление 11 выполняет роль временной крепи и изолирует поверхность выработки, предотвращая при инъецировании цементационного раствора его вытекание из трещин 9. После полимеризации набрызг-полимерного крепления 11 на хвостовики инъекционных анкеров, расположенные внутри выработки, надевают опорные шайбы 4 и накручивают стандартные гайки 3. Далее, по известным способам и методикам производят поскважинное нагнетание цементационного раствора в породы через трубчатый грузонесущий стержень 1 каждого инъекционного анкера и производят предварительное нагружение инъекционных анкеров стандартными гайками 3 через опорные шайбы 4.

Как известно [Шемякин Е.И. «О прочности горного массива». // Научные сообщения ННЦ ГП - ИГД им. А.А.Скочинского. Выпуск 328/2004. - С.8-18], в процессе сооружения выработки в массиве горных пород обязательно происходит падение по величине радиального напряжения (даже, если со стороны выработки организован подпор, как правило, по величине меньший, чем было исходное напряжение до проходки), а также развиваются касательные напряжения за счет различия в главных напряжениях исходного состояния или возникших при создании выработки. При росте нагрузки на горные породы после практически обратимых деформаций до пика касательных напряжений дальнейшее сопротивление сдвигу с ростом деформаций падает, происходит разупрочнение горных пород. С достижением предельной сдвиговой прочности наступает новое состояние - анизотропия сопротивления сдвигам в результате роста касательных напряжений, что влечет последующее смещение отдельностей горных пород по определенным площадкам сдвига. Таким образом, в стремлении массива горных пород к восстановлению равновесного состояния в результате действующих различных нагрузок отдельности приконтурного массива смещаются внутрь выработки, а деформация же в целом, в конечном объеме, осуществляется как взаимное скольжение и относительное вращение отдельностей. За счет сил трения, сцепления и дилатансии (образование новых поверхностей сдвига с одновременным увеличением общего объема при предельном нагружении твердого тела) происходит взаимное заклинивание блоков с образованием несущего свода, ослабленного по незакрепленному контуру выработки. Для решения задачи повышения устойчивости горной выработки во времени необходимо изменить физико-механические характеристики приконтурного массива горных пород, что возможно за счет его эффективного упрочнения при применении предлагаемого способа крепления горных выработок и конструкции инъекционного анкера для его осуществления.

Пробуренные по определенной паспортом крепления схеме скважины вскрывают трещины и расслоения массива, образуя единую систему каналов и полостей. По результатам визуального зондирования пробуренных скважин определяют границы зоны интенсивной трещиноватости и с учетом глубины расположения указанной зоны фиксируют опорную головку на определенном участке грузонесущего стержня (фиг.1 и 2) инъекционного анкера, например, штифтом через сквозные отверстия перфорации. Далее инъекционный анкер устанавливают в скважину и закрепляют сыпучим минеральным заполнителем. При отсутствии четких границ зоны интенсивной трещиноватости размер втулки сыпучего минерального заполнителя оставляют минимальным. В соответствии с данными стендовых испытаний минимальный размер втулки сыпучего минерального заполнителя с позиции равнопрочности закрепления подобного анкера составляет 70 сантиметров. После предварительного натяжения данная анкерная крепь сразу готова к включению в общую работу по сохранению устойчивости выработки.

Фиксация на определенном участке грузонесущего стержня подвижной опорной головки позволяет адаптировать анкер и процесс инъекционного упрочнения горных пород под конкретные локальные условия, отличающиеся по характеру нарушений и расположению зон интенсивной трещиноватости.

Далее устье подпирают фильтрующим материалом, например паклей. На поверхность горной выработки по известной технологии наносят набрызг-полимерное крепление толщиной 4-6 мм, оставляя свободными устья скважин. При этом набрызг-полимерное крепление выполняет роль временной крепи и изолирует поверхность выработки, предотвращая при инъецировании цементационного раствора его вытекание из трещин. После полимеризации набрызг-полимерного крепления при поскважинном нагнетании цементационный раствор под действием давления нагнетания проникает через перфорацию трубчатого грузонесущего стержня инъекционного анкера во вскрытые скважиной трещины и полости приконтурного массива горных пород. Через удаленные от места инъецирования другие скважины происходит частичный выпуск воздуха из заполняемых цементационным раствором трещин и полостей, что снимает подпор и способствует большему распространению цементационного раствора по длине трещин. Далее, как известно [Хямяляйнен В.А., Бурков Ю.В., Сыркин П.С. «Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок» - М.: Недра, 1994. - 400 с: ил.], в какой-то момент времени наступает прекращение растворопоглощения упрочняемых горных пород, а их последующая выдержка под максимальным давлением нагнетания цементационного раствора позволяет произвести более плотную упаковку частиц в трещинах и полостях, что напрямую связано с увеличением прочности цементного камня, его адгезионных характеристик и площади контакта с горными породами. Одновременно через устьевую часть скважины, заполненной сыпучим минеральным заполнителем, например кварцевым песком (является фильтрационным материалом для цементационных растворов), происходит частичное отфильтровывание жидкой фазы, которая при преодолении гидравлического сопротивления фильтрационного материала дренирует в выработку.

До указанного момента процесс отфильтровывания жидкой фазы цементационного раствора происходит только лишь под действием давления нагнетания, при котором рост плотности цементационных частиц имеет предел и далее не зависит от роста давления нагнетания. При этом время выдержки под давлением нагнетания ограничено временем схватывания цементационного раствора в трещинах и расслоениях и составляет не более 30 минут.

При введении в работу анкерной крепи до момента схватывания цементационного раствора в общем случае происходит принудительное сближение плоскостей трещин и расслоений. Цементационный раствор дополнительно проникает в незаполненные трещины и полости, а избыточная дополнительно отжимаемая жидкая фаза цементационного раствора также начинает дренировать в выработку.

Нагружение инъекционного анкера предложенной конструкции приводит к его закреплению в скважине за счет сил трения, сцепления и дилатансии в сыпучем минеральном заполнителе. Указанные силы и процессы, а также уплотнение и сдвиг частиц сыпучего минерального заполнителя относительно друг друга реализуют активный во времени радиальный распор на стенки скважины, что влечет к объемному сжатию отдельностей и блоков горных пород, составляющих непосредственно контур выработки. Происходит стабилизация взаимных смещений и вращения отдельностей и блоков. При этом максимум радиального давления расположен непосредственно под опорной головкой с последующим плавным вырождением по длине столба сыпучего минерального заполнителя. Таким образом, перед установкой анкера, сдвигая и фиксируя опорную головку на уровне расположения зоны интенсивной трещиноватости, данная конструкция анкера позволяет частично восстановить исходное напряженное состояние горных пород в самой дезинтегрированной и ослабленной зоне массива горных пород по контуру горной выработки. В сочетании с набрызг-полимерным креплением это позволяет в технологическом процессе создать первичный несущий свод, работающий самостоятельно до набора прочности цементационного раствора. После набора прочности в работу включается упрочненная породо-цементная оболочка.

Таким образом, создание по предлагаемому способу в дезинтегрированном приконтурном массиве горных пород новых структурных связей с одновременным напряженным армированием позволяет повысить эффективность упрочнения и рассматривать приконтурный массив горных пород как несущую напряженную конструкцию, т.е. систему «упрочненная оболочка - анкера - приконтурный массив горных пород», работающую во взаимодействии (взаимовлиянии) и максимально использующую несущую способность массива горных пород, обеспечивая надежность крепления и стабильную устойчивость горной выработки во времени.

Изобретение относится к горному делу, в частности к анкерному креплению и инъекционному упрочнению блочно-структурированного трещиноватого массива горных пород. Обеспечивает повышение эффективности упрочнения горных пород. Способ включает бурение скважин, установку и закрепление в них инъекционных анкеров с опорной головкой сыпучим минеральным заполнителем, нанесение на поверхность выработки изолирующего несущего покрытия, поскважинное нагнетание в массив через перфорированную часть инъекционных анкеров цементационного раствора с дренажем отфильтровываемой жидкой фазы и их последующее предварительное натяжение. Подвижную вдоль оси опорную головку фиксируют на грузонесущем стержне на уровне зоны интенсивной трещиноватости массива с последующим закреплением каждого инъекционного анкера в устьевой части скважин до зоны интенсивной трещиноватости массива. Нагнетание цементационного раствора производят через перфорированную часть инъекционных анкеров, расположенную после опорной головки. Дренаж отфильтровываемой жидкой фазы цементационного раствора осуществляют через закрепляющий сыпучий минеральный заполнитель устьевой части скважин. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ крепления горных выработок, включающий бурение скважин, установку и закрепление в них инъекционных анкеров с опорной головкой сыпучим минеральным заполнителем, нанесение на поверхность выработки изолирующего несущего покрытия, поскважинное нагнетание в массив через перфорированную часть инъекционных анкеров цементационного раствора с дренажем отфильтровываемой жидкой фазы и их последующее предварительное натяжение для создания вокруг выработки армированной породобетонной оболочки, отличающийся тем, что подвижную вдоль оси опорную головку фиксируют на грузонесущем стержне на уровне зоны интенсивной трещиноватости массива с последующим закреплением каждого инъекционного анкера в устьевой части скважин до зоны интенсивной трещиноватости массива, нагнетание цементационного раствора производят через перфорированную часть инъекционных анкеров, расположенную после опорной головки, а дренаж отфильтровываемой жидкой фазы цементационного раствора осуществляют через закрепляющий сыпучий минеральный заполнитель устьевой части скважин.2. Инъекционный анкер, включающий трубчатый грузонесущий стержень с опорной головкой и перфорированным участком внутри скважины, втулку из сыпучего минерального заполнителя в зазоре между стенками скважины и грузонесущим стержнем, опорную шайбу и гайку вне скважины, отличающийся тем, что опорная головка выполнена в виде втулки, подвижной вдоль оси с возможностью фиксации через отверстия перфорации на определенном участке грузонесущего стержня.