Способ упрочнения горных пород Советский патент 1991 года по МПК E21F5/00 

ел

С

Изобретение относится к горной промышленности и позволяет повысить эффективность управления за счет увеличения проницаемости пород. Вокруг выработки в / . скважинах размещают невзрывные пневматические источники колебаний, оси которых ориентируют параллельно направлению главных максимальных напряжений. Скважины располагают на расстоянии 3-5 длин волн основной частоты, излучаемой в массив. Скважины заполняют упругопластическим материалом. Воздействуют на массив сначала частотой 60 - 1500 Гц, а затем частотой собственных колебаний массива Амплитуду увеличивают до величины, при которой напряжения в массиве достигают половины от разрушающих. Достигнув этого уровня, нагнетают в массив скрепляющий раствор через веер шпуров. 1 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для решения горно- и геотехнологических задач, в частности для упрочнения горных пород в прикон- турной зоне выработки.

Цель изобретения - повышение эффективности способа за счет увеличения проницаемости горных пород.

На чертеже приведена схема реализации способа, где 1 - горный массив, 2 - горная выработка, 3 - приконтурная зона нарушенных пород, 4 - скважины с размещенными в них невзрывными источниками 5, в которые встроены тензодатчики 6, 7 - компрессор высокого давления (ЭУ-5 или ЭУ-7), 8 - электронный пульт управления, 9 - приборы для контроля за горным давлением, 10 - веер шпуров для нагнетания скрепляющих растворов в приконтурную зону, (Л и Oi - векторы максимального и минимального главных напряжений в горном массиве.

Способ осуществляют следующим образом.

С помощью датчиков давления горных пород, устанавливаемых в контрольной скважине, определяют поле напряжений и главные векторы в породном массиве, в котором следует ослабить напряжения. В выработке, отстоящей от основной выработки 2, в которой необходимо осуществить упрочнение пород, на расстоянии 3-5 длин волн основной получаемой частоты, излучаемой в массив, бурят скважины 4 ф 500 - 700 мм и глубиной 5 - 7 м и размещают в них невзрывные пневматические источники колебаний в один ряд, причем направление воздействия совпадает с одним из главных напряжений в породном массиве выработки 2. т.е. источники устанавливают в полости,

О

о

СЬ VI W

проходящей черэз линию максимального главного напряжения.

Максимальный диаметр скважины -4 и ее глубины для размещения источников выбирают исходя из оптимальных условий возбуждения сейсмических колебаний на частотах 60 - 1500 Гц, при которых имеет место оптимальная максимальная закачка упругой энергии в тело прмконтурной зоны 3 горной выработки, составляющая 3-16% энергии, поступающей в источник от компрессора 7 высокого давления,- до 300 атм. Глубина скважины 4 оптммапьна величине давления, обеспечиваемой весом упруго- вязкого тела, например воды или мокрой буровой мелочи, или мокрого кварцевого пе- о:.а с добавкой металлических опилок, опре- дзлениой экспериментально в морской сейсморазведке на акваториях и составляю- 1чаи для диапазона 60 - 1500 Гц примерно С -7 при добавлении столба давления в г- -зажине 1 - 10 атм. Скважины 4 бурят на чостоянии 2-3 длин волн основной частоты, излучаемом в массив, исходя из условий волнового подобия: при скорости в массиве 000-5000 км/с, при частотах GO- 1500 Гц, пр л дгинах волн 30 - 80 и 2 - 4 м, на удале- i . -Б длин волн это составляет примерно 300 м. Это обусловлено тем, что на таких удалениях от источника поле упругих напряжений от источника распределено равномерно, в то время как на удаление длины зпяпы оно неравномерно.

Время воздействия синхронной работы i руппы источников для приведения массива в неудароопасное состояние, регулируемое посредством обратной связи пульта 8 управления с компрессором 7, зависит от обводненности пород в массиве, степени трещиноватое™ - проницаемости массива и геомеханических условий залегания горного массива, причем импульс давления сжатого воздуха, подаваемого от компрессора 7 в источник, преобразуется с электрический импульс тензодатчиком 6 и подается на вход электронного пульта управления, т.е. осуществляется синхронизация работы группы источников колебаний. При синхронной работе группы источников амплитуду колебаний поднимают от минимального до максимального уровня, определяемого уровнем достижения напряжений в породном массиве, равном 0,5 от разрушающих, с таким условием, чтобы не вызвать динамических проявлений горного давления. Колебания вызывают в горном массиве относительную подвижку структурных элементов, перераспределение напряжений на пути распространения колебаний и уменьшение динамики горного давления, Эти явления имеют место как в случае работы одиночного источника, так и в случае работы группы источников.

Работу группы источников контролируют геомеханическими и геофизическими методами исследований, а именно методом разгрузки с использованием гензодатчиков, ультразвуковыми методами, с использованием методов сейсмоакустической и элект0 ромагнитной эмиссий.

Воздействия на горный массив осуществляют поэтапно. Вначале приводят массив в колебательное состояние в диапазоне частот 60 - 1500 Гц, а затем переходят на

5 частоту воздействия, равную частоте собственных колебаний горного массива в совокупности с нагретанием скрепляющих растворов.

Параметры вибровоздействия вскважи0 нах задают для всех источников идентичными, а именно частоту, длительность и интенсивность колебаний поддерживают одинаковыми при неизменных контактных условиях.

5Во время приведения массива в неудароопасное состояние осуществляют контроль за его напряженным состоянием.

Воздействуя на приконтурную зону 3 горного массива еыбрационными нагрузка0 ми, измеряют его напряженно-деформированное состояние и по достижении в нем напряжений, не превышающих 0,5 от разрушающих, начинают нагнетать в шпуры 10 скрепляющий раствор. Таким образом, мас5 сив обрабатывается вибрационными нагрузками, что способствует увеличению проницаемости горных пород в приконтур- ной зоне выработки и повышению эффективности способа.

0 Воздействие осуществляют в течение времени, определяемого прекращением фильтрации воды из горного массива.

По истечении необходимого времени невэрывные сейсмические источники вы5 ключают и перемещают на новое место, предварительно пробурив для них скважины, или оставляют на старом, если сохранятся возможность повторного воздействия на породный массив и достижения в нем необ0 ходимого эффекта.

Перед нагнетанием в скважины вставляют анкера.

Сущность изобретения состоит в том, что под воздействием вибрационных нагру5 зок, порождаемых выхлопами сжатого воздуха под давлением 60 - 300 атм из источника в скважину, заполненную мокрым кварцевым песком с добавками металлических опилок, примерно 3-16% всей запасенной в источнике анергии передается через мокрый песок е массив, т.е., переходит в сейсмическую энергию в диапазоне частот 60 - 1500 Гц. Под действием упругой волны в массиве возникают волны сжатия и растяжения. Эти волны вызывают мигра- цию флюидов -- жидкостей и газов, содержащихся в порах и трещинах горных пород, и содействуют их миграции во много раз быстрее, чем в отсутствие упругой волны. Кроме того, вибрации содействуют раскрытию тре- щин в массиве на пути распространения упругих волн. Скрепляющий раствор, посту- паемый нагретанием под высоким давлением в приконтурные горные породы выработки, проникает в поры трещины и содействует более полному их заполнению, чем в отсутствие вибрации. После застывания - отверждения приконтурная часть горной выработки представляет собой монолитную среду, прочность которой на 40

-60% выше, чем прочность этих же пород в совокупности со скрепляющими растворами, нагнетаемыми без вибрации, что проверено методом гидроразрыва.

Преимущества предлагаемого способа состоят в том, что упрочнение пород при- контурной зоны горной выработки позволяет осуществить перераспределение напряжений в горном массиве на пути распространения вибрационных колебаний, свести к минимуму вероятность проявления динамических нагрузок, внезапных выбросов угля, породы и газа, свести поле существующих напряжений к равномерному в период нагнетания скрепляющих растворов

-привести массив в неудароопасное состояние, увеличить прочность приконтурной части горной выработки за счет более полного заполнения пор и трещин пород, а также за счет использования анкерной крепи, создать оптимальные условия возбуждения сейсмических колебаний в диапазоне 60 - 1500 Гц и закачки упругой энергии в горные породы в режиме накопления без изменения контактных условий - энергия переда-

ется в массив через мокрый кварцевый песок или буровую мелочь увеличить проницаемость горных пород о период нагнетанит скрепляющих растворов в приконтурные горные породы выработки причем диапазон частот выбран с таким расчетом, чтобы содействовать раскрытию трещин с размерами от 1 мм и вым1

Использование способа позволит значительно увеличить проницаемость горных пород и повысить эффективность упрочнения горных пород за счет более прочного сцепления приконтурных пород выработки с горным массивом по сравнению с имеющимися способами упрочнения пород.

Формула изобретения Способ упрочнения горных пород, включающий проходку выработки, определение векторов главных напряжений в массиве, бурение скважин на расстоянии 3-5 длин волн основной частоты, излучаемой в массив, бурение шпуров, установку в них невзрывных пневматических источников колебаний, оси которых располагают параллельно направлению главного напряжения, и заполнение упруговязким материалом, синхронизацию работы источника и возбуждение в массиве колебаний, увеличение их амплитуды до величины, при которой напряжения в массиве достигнут половины от разрушающих и поддержание амплитуды на этом уровне и нагнетание в шпуры скрепляющего раствора, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности упрочнения за счет увеличения проницаемости пород, определяют частоту собственных колебаний массива, а возбуждение в нем колебаний производят поэтапно, вначале в диапазоне частот 60 - 1500 Гц, а затем переходят на частоту, равную частоте собственных колебаний массива, при этом источники колебаний располагают параллельно направлению максимальных напряжений.

№ t

t

ЛУ Л Ж.