Инъектор-анкер для закрепления трещиноватой кровли горных выработок Российский патент 2023 года по МПК E21D21/00 E02D3/12 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для крепления подземных горных выработок, бортов карьеров, а также в промышленном строительстве для закрепления слабых трещиноватых горных пород путем нагнетания в них твердеющих составов.

Известен инъектор (см. АС СССР №1231139 Е02D 3/12 «Инъектор для закрепления грунта») для закрепления трещиноватой кровли горных выработок, включающий перфорированную трубу с винтовыми лопастями, буровой наконечник, клапаны для предохранения отверстий от засорения. Герметизация скважины осуществляется за счет грунтовой пробки, образующейся между лопастями при бурении. Недостатком данного инъектора является прорыв рабочего раствора – твердеющего состава через пробку и необходимость извлечения инъектора после твердения раствора перед началом выемки закрепленных пород.

Известен инъектор (см. патент РФ №2064585 Е21D 21/00, Е02D 3/12 «Инъектор для закрепления пород») для закрепления горных пород, включающий перфорированную трубу с винтовыми лопастями, узел герметизации бокового зазора, калибровочную шайбу, расположенную впереди перфорированной трубы. Недостатком данного инъектора является необходимость ожидания затвердевания раствора и затем выворачивания перфорированной трубы, что приводит к снижению производительности при строительстве крепи.

Задачей изобретения является обеспечение безопасной выемки горной породы механизированным комплексом за счет установки неизвлекаемого неметаллического инъектор-анкера, нагнетающего твердеющий раствор в скважину.

Сущность технического решения приведена на фиг. 1.

Инъектор-анкер состоит из перфорированной полиэтиленовой трубы 1, в наружном конце которой нарезана резьба. В эту резьбу ввернута пробка-патрубок 2. Во внутреннем торце пробки-патрубка 2 при помощи болта закрепляется обратный клапан 3. В трубе 1 просверлены отверстия 4 и по этим отверстиям сделаны проточки 5 на глубину, равную диаметру отверстий. Такая глубина проточек позволяет твердеющему раствору равномерно распределяться вокруг трубы и проникать во все трещины в горной породе. Внутренняя часть трубы 1 имеет радиальные разрезы, которые образуют лепестки. В этой же части трубы 1 выполнена коническая проточка, в которую вставлена коническая пробка 6. В наружной части трубы 1 около устья скважины выполнена коническая проточка, в которую вставлено резиновое уплотнение 7. В торце пробки-патрубка 2 установлено дополнительное резиновое уплотнительное кольцо 8, которое герметизирует устье скважины (шпура).

Инъектор-анкер работает следующим образом.

В скважину вставляется коническая пробка 6, а затем перфорированная труба 1, на которую предварительно надевается резиновое уплотнение 7. После соприкосновения перфорированной трубы 1 с конической пробкой 6 и при дальнейшем продвижении трубы происходит разжатие лепестков и стопорение трубы 1 в скважине. При этом за счет силы трения наружной части резинового уплотнения 7 о поверхность скважины, уплотнение затягивается в наружную часть трубы 1 и уплотняет кольцевой зазор между трубой и скважиной. При подаче твердеющего раствора в кольцевое пространство между трубой и скважиной, возникает дополнительная сила давления на резиновое уплотнение 7, что приводит к увеличению герметизации скважины. В наружную часть трубы 1 вворачивается пробка-патрубок 2 с установленным уплотнительным кольцом 8, которое уплотняет устье скважины. На патрубок 2 одевается гибкий шланг и при помощи насоса подается быстротвердеющий раствор. Раствор через отверстия 4 и проточки 5 проникает в трещины горной породы и застывает в них, укрепляя поверхностный слой горной выработки. Обратный клапан 3 предотвращает вытекание раствора из скважины. После закачивания раствора гибкий шланг снимается с патрубка 2 и при необходимости пробка-патрубок 2 выворачивается.

Пример 1

Проведение горной выработки приводит к перераспределению напряжений в массиве напряжений в массиве пород. Под влиянием их в массиве пород происходит сложные геомеханические процессы, сопровождающиеся смещением пород.

Величина смещений пород в определенных условиях (большая глубина разработки, низкая прочность пород и др.) может значительно превышать податливость крепи. В этих случаях необходимо выполнить дополнительные мероприятия по обеспечению сохранности выработки в пригодном для эксплуатации состоянии. Наиболее распространёнными из них являются – упрочнение пород анкерной крепью, растворами смол и цемента, за счет инъектор-анкера для закрепления трещиноватой кровли горных выработок.

Инъекторная анкерная крепь, «сшивая» слои пород или «подшивая» их к устойчивым породам, препятствует их расслоению и способствует развитию сил внутреннего трения. Она повышает устойчивость пород при статических и динамических (ведение взрывных работ) нагрузках.

Инъекторные анкера применяют там, где неустойчивые породы кровли или почвы мощностью не более 2 м могут быть подшиты к устойчивым породам. Их заглубляют в устойчивую породу не менее чем на 0,3-0,5 м.

При наличии неустойчивых пород мощностью более 2 м применяют инъектор-анкеры, которые должны имеют сцепление с породой по всей длине скважины. При этом в кровле выработки или ее почве формируется упрочненная зона в виде сводов, способных воспринимать горное давление.

При схеме «подшивка» длина инъектор-анкеров принимается равной 1,5-2,5 м, а плотность их установки (n, анкер/м²) в породах кровли и почвы выработки определяется соответственно из выражений:

где , - соответственно мощность (м) и объемная масса (кН/м³) подшиваемых пород непосредственной кровли; Р - несущая способность анкера (кН), принимаемая по паспортным данным используемого вида анкеров.

Несущая способность деревянных анкеров составляет 8-12 кН. Металлические замковые анкеры обладают несущей способностью в пределах 49-69 кН, а беззамковые - 100-170 кН.

Расстояние между анкерами (l, м) вычисляется по формуле

При схеме «скрепления» длину в кровле и почве выработки следует принимать равной 2-2,5 м. Плотность их установки на основании практических данных исследования в ИГД им. А. А. Скочинского показали, что прочность магнезиального вяжущего в приведенной выше рецептуре составляет 10-12 МПа на сжатие, 6-8 МПа - на скалывание и 3,5-5,0 МПа - на изгиб.

В сложных горно-геологических условиях для упрочнения слабых трещиноватых пород, вмещающих выработки, применяют также и нагнетание водоцементных растворов. При этом, как правило, осуществляют глубинное упрочнение вмещающих пород, которое выполняется после тампонажа закрепленного пространства.

Весовые соотношения составляющих компонентов и их расход на приготовление одного кубического метра водоцементного раствора в зависимости от марки цемента приводятся в табл. 3.1.

Песок, используемый в качестве инертного заполнителя, должен просеиваться через сито с размером ячеек 5×5 мм. Содержание в песке глинистых частиц не должно превышать 5-7% от его веса.

Таблица 1

Расход компонентов для приготовления 1 м³ водоцементного раствора

Марка цемента и весовой состав раствора (Ц:П:В) Расход компонентов на 1м³ раствора, кг цемент песок вода глина М 300 1:4:5 315 1260 475 До 20 М 400 1:5:1,6 270 1350 430 До 20 М 500 1:6:1,75 235 1400 400 До 20

При наличии значительных вывалов и пустот в закрепном пространстве их заполнение производится цементно-песчаным раствором меньшей прочности с использованием цемента марки М-300 в пропорции 1:8:2,2. В этом случае для улучшения проникающей способности раствора и предотвращения его расслаиваемое в его состав вводится глина в количестве до 30% от веса цемента.

Для заделки зазоров и трещин применяется обогащенный раствор в соотношении 1:3:0,5, в который для ускорения твердения добавляется 4-5% от веса цемента хлористого кальция или жидкого стекла.

Для упрочнения массива пород нагнетанием применяется водоцементный раствор в соотношении 1:1. Марка цемента должна быть не ниже 300.

Для определения необходимой глубины укрепления пород (, м) можно пользоваться зависимостью:

где U - величина смещений пород в направлении предполагаемого их укрепления, U = (0,1 - 0,2); - коэффициент снижения величины смещений пород в зависимости от времени начала работ по укреплению после проведения выработки (T = 10-20 суток).

Значения его определяются по формуле:

Рекомендуется принимать следующие значения: в неустойчивых породах 1,5-2,0 инъектор-анкеров/м² (расстояние между ними 0,8-0,7 м), в породах средней устойчивости - 1 инъектор-анкеров/м².

Для укрепления боков выработки преимущественно используются инъектор-анкеры длиной 1,5-2,2 м по сетке 1×1 м (1 инъектор-анкеров/м²).

Пример 2

Упрочнение массива пород вяжущими растворами и

смолами с использованием инъектор-анкеров

Укрепление пород синтетическими смолами основано на способности смол под действием соответствующих коагуляторов (отвердителей) образовывать прочные водонепроницаемые соединения, которые связывают сильно нарушенные породы в прочный, монолитный массив.

Наиболее широкое применение находят водорастворимые смолы, которые теряют водорастворимость после отвердевания. К ним относятся некоторые виды фенолоальдегидных и аминоальдегидных смол, полимеры и сополимеры акриламида, акриловой кислоты, а также растворы на основе эфиров целлюлозы.

На угольных шахтах нашей страны преимущественно распространены карбамидные смолы, выпускаемые промышленностью для нужд многих отраслей. Применяемые карбамидные смолы КФ-Б; КФ-Ж; КФ-МТ; КФ-БЖ - наименее токсичные, достаточно прочные. Адгезия с породами находится в пределах 2,2-4,5 МПа.

Расстояние между инъекционными шпурами выбирается, исходя из условия надежной обработки составом массива горных пород. При интенсивности трещиноватости 1-2 мм/м сетка шпуров принимается с размером 1×1 м, при интенсивности трещиноватости 2-4 мм/м-2×2 м. Длина шпуров составляет, как правило, 1,5-2,0 м.

На фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 приведены возможные варианты схемы расположения инъекционных шпуров.

При этом предусматривается упрочнение пород кровли (шпуры 1: фиг. 2 и фиг. 3), боков (шпуры 2: фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4) и почвы выработки (шпуры 3 фиг. 4).

Раствор нагнетается под давлением 6-8 МПа. Для упрочнения неустойчивых горных пород наряду с составами на основе синтетических смол в определенных случаях могут использоваться вяжущие, которые представляют собой порошкообразные материалы, образующие при смешивании с водой жидкую пластичную массу, постепенно затвердевающую в прочное камневидное тело. К таким материалам относится и магнезиальное вяжущее.

Магнезиальное вяжущее как скрепляющий состав относится к классу неорганических клеев, к группе клеев-цементов и получается при взаимодействии окиси магния с раствором хлористого или сернокислого магния.

Основные компоненты вяжущего - окись магния (47-50 %), хлористый магний (40-48%), а также пластификатор - бентонитовая мука (5-10 %) - не токсичны и не горючи, а следовательно, не требуют специального разрешения на применение в подземных условиях.

Для обеспечения устойчивости бортов карьеров также были использованы инъектор-анкеры. Проверка закрепления бортов осуществлялась на откосе бермы безопасности. Так как эти участки карьеров подвержены наибольшему засыпанию обрушенными горными породами при ведении горных работ. Упрочнение массива пород осуществлялось вяжущими растворами цементно-песчаным и смолами.

Таким образом, использование инъектор-анкеров позволит компенсировать относительно невысокие прочностные и деформационные свойства трещиноватых горных пород. Что позволит избежать наиболее мощных сейсмических событий (горных ударов) сопровождающихся обрушением пород в горные выработки, и осыпания бортов карьеров.

Заявлен инъектор-анкер для закрепления трещиноватой кровли горных выработок. Техническим результатом является обеспечение безопасной выемки горной породы механизированным комплексом за счет установки неизвлекаемого неметаллического инъектор-анкера, нагнетающего твердеющий раствор в скважину. Инъектор-анкер включает перфорированную трубу с резьбой в наружном конце, закрученную в неё пробку-патрубок с обратным клапаном и уплотнением. Перфорированная труба выполнена из полиэтилена, во внутренний конец трубы вставлена сплошная коническая полиэтиленовая пробка. Во внутренней части перфорированной трубы выполнена коническая проточка, выполненная с возможностью вставки конической пробки. Также во внутренней части выполнены радиальные разрезы, образующие лепестки. В местах расположения отверстий выполнены кольцевые проточки глубиной не более диаметра отверстий. В наружной части перфорированной трубы со стороны устья скважины выполнена коническая проточка, в которую вставлено резиновое уплотнение. 4 ил., 1 табл., 2 пр.

Инъектор-анкер для закрепления трещиноватой кровли горных выработок, включающий перфорированную трубу с резьбой в наружном конце, закрученную в неё пробку-патрубок с обратным клапаном и уплотнением, отличающийся тем, что перфорированная труба выполнена из полиэтилена, во внутренний конец трубы вставлена сплошная коническая полиэтиленовая пробка, при этом во внутренней части перфорированной трубы выполнена коническая проточка, выполненная с возможностью вставки конической пробки, а также радиальные разрезы, образующие лепестки, а в местах расположения отверстий выполнены кольцевые проточки глубиной не более диаметра отверстий, при этом в наружной части перфорированной трубы со стороны устья скважины выполнена коническая проточка, в которую вставлено резиновое уплотнение.