Способ упрочнения пород Советский патент 1992 года по МПК E21D11/00 E21D20/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для охраны горных выработок, а также при строительстве подземных сооружений, оснований и фундаментов.

Известен способ упрочнения трещиноватых породлри помощи нагнетания упрочняющего раствора в породы, имеющие вибрацию с частотой ультразвуковых волн для повышения скорости растекания.

Недостатком такого способа является ограничение зоны растекания раствора областью вибрации пород, препятствием для распространения которой является наличие открытых трещин.

Наиболее близким по технической сущности и получаемому эффекту является способ упрочнения пород, включающий бурение скважин, размещение в них упрочняющего раствора, камуфлетное взрывание заряда ВВ, повторное размещение упрочняющего раствора и заряда ВВ, который взрывают через промежуток времени, не меное периода сатвердевания первичного раствора до величины более твердости упрочняемой породы. Упрочнение пород по

прототипу достигается искусственным расширением трещин клиновым элементом из отвердевшего раствора при воздействии на него давления взрывных газов через жидкий раствор.

Недостатками прототипа являются ограничение радиуса проникания раствора при весьма твердых породах, значительное количество раздельных операций (бурение шпуров, размещение раствора, размещение ВВ, взрывание заряда) и значительные затраты времени на период затвердевания раствора до величины более твердости пород, для используемых упрочняющих растворов этот период составляет от нескольких часов до нескольких суток.

Целью изобретения является упрощение способа упрочнения пород за счет сокращения числа операций по упрочнению при создании давления в упрочняющем растворе более прочности пород, но не более прочности химических связей в растворе.

По предлагаемому способу величина заряда ВВ выбирается такой, чтобы давление взрывных газов, передаваемое через раствор, превышало прочность пород на разё

N| О СЛ

СО

со

рыв, но было не более прочности химических связей упрочняющего раствора. По прототипу увеличение радиуса проникновения упрочняющего раствора достигается за счет расклинивания трещин затвердевшим раствором. При этом твердость раствора для расклинивания трещин должна превышать твердость породы. Однако при использовании прототипа в горных породах полускального типа (сланцы, глинистые по- лускальные породы) период набора твердости раствора до величины более твердости пород составляет от 5-6 ч до 2-3 сут (химические вяжущие растворы, песчано-цемент- ные растворы), что требует значительной выдержки времени между первичным и повторным взрываниями. Это замедляет проведение работ по упрочнению пород.

В предлагаемом способе взрывание заряда ВВ в растворе производят до момента схватывания в жидком растворе, а взрыв заряда ВВ создает давление взрывных газов, передаваемое через раствор, более прочности пород на разрыв. Тогда под действием давления взрывных газов упрочняю- щий раствор проникает в трещины, созданные предварительным взрыванием, и развивает в них давление, приблизительно равное давлению взрывных газов (т.к. жидкость практически не сжимается и дав- ление передается без потерь). Величина давления превышает прочность пород на разрыв, поэтому происходит дальнейшее развитие трещин по плоскостям наслоения и др. направлениям ослабленного сопро- тивления пород, кливажным и технологическим трещинам.

Жидкий упрочняющий раствор является средством передачи давления и, проникая в трещины, передает давление взрывных газов на берега трещин, поэтому их расширение происходит, в отличие от прототипа, не проталкиванием точечного клинового элемента схватывающегося раствора по трещине, а за счет разрыва породы на конце трещины (развития трещины) при расширении ее берегов под давлением взрывных газов. Причем площадь, на которую прикладывается давление взрывных газов, равна площади поверхности берегов трещин, что обеспечивает развитие значительных усилий разрыва пород и вследствие этого развитие трещин.

В прототипе проталкивание клинового элемента раствора по трещине происходит за период времени, в течение которого давление взрывных газов будет больше, чем сопротивление проталкиванию раствора При увеличении пустотности (появление новых и развитие имеющихся трещин) давление взрывных газов уменьшается пропорционально приросту объема пустот в третьей степени, а также вследствие охлаждения взрывных газов и распространение раствора прекращается.

В предлагаемом способе поддерживание давления взрывных газов более величины сопротивления пород разрыву, более длительный промежуток времени, чем по прототипу, обеспечивается наличием пластичной забойки. В этом случае взрывные газы после взрывания, расширяясь, проталкивают раствор по трещинам, а поддержание давления взрывных газов более прочности пород на разрыв происходит за счет исключения выброса газов из взрывной полости. Это обеспечивается пластичной забойкой скважины увеличенной длины, которая, в отличие от прототипа, сохраняет объем взрывной полости практически неизменным и давление взрывных газов остается выше прочности пород на разрыв более длительный период времени, чем по прототипу, Таким образом достигается расширение трещин и проталкивание раствора по трещине.

В отличие от прототипа, где действие взрывных газов на жидкий раствор непродолжительно и заканчивается за период протекания взрыва, в предлагаемом способе сохранение свойств упрочняющего раствора обеспечивается ограничением величины заряда В В, При взрыве давление взрывных газов не превышает прочность химических связей упрочняющего раствора. Прочность связей раствора характеризуется энергией, необходимой для нарушения связи, и зависит от вида (кристаллической, межмолекулярной, электростатической, ионной и т.д.). Если происходит разрушение связи молекул в растворе, то он теряет свойство твердения. Это подтверждено результатами экспериментов. Для сопоставления испытывали растворы гипсовых и магнезиальных вяжущих, в которые до их схватывания помещали и взрывали заряды ВВ (угленит Э-6), Изучение результатов взрывов показало, что при величине заряда В В более 0,4 кг происходит нарушение вяжущих свойств гипсового состава объемом 10- 14 л, для магнезиальных вяжущих того же объема - 2,4 кг. Испытаны также другие растворы (цементный, силикатные вяжущие, полиуретановые смолы) и установлено, что нарушение вяжущих свойств происходит, если удельная энергия взрыва превышает энергию химической связи молекул растворов.

Математическая зависимость изобретения основана на механизме влияния взрыва

на процесс твердения вяжущих растворов. После затворения вяжущего вещества в растворе, т.е. размещении его в воде, частицы вяжущего, находящиеся во взвешенном состоянии, представляют собой агрегативные соединения, окруженные гидратными оболочками, причем молекулы воды ориентированы полярным образом, поэтому активная валентность частиц вяжущего связана. Для разрыва оболочек требуется пиковое приложение давления, что осуществляется при взрывании В В в растворе. Это освобождает поверхность частиц вяжущего и ускоряет процесс кристаллизации.

Величина давления взрывных газов, передаваемая через объем раствора, должна быть достаточна для развития трещиновато- сти, что выражается через заряд ВВ:

QBB Vpp/KiVRp .

Величина создаваемого давления передается через гидратные оболочки почти без потерь (т.к. жидкость почти не сжимается), поэтому требуется сохранение вяжущих свойств раствора для последующего упрочнения пород.

Условие сохранения вяжущих свойств обеспечивается сравнением выделенной энергии взрыва, равной

Јвв К2/Эвв Vd/qBB ,

где К2 - коэффициент затухания взрыва в среде (для воды равен 1),

р вв плотность ВВ, кг/см ;

Vd - скорость детонации, м/с;

двв - количество ВВ в заряде, кг, и удельной энергии, необходимой для нарушения химической связи в частице вяжущего Ерр. Общая величина энергии химических связей представлена в виде

Е Ерр.Зэ,

где 5э - эквивалентная поверхность, занимаемая раствором и представленная в виде сферы объемом Vpp, тогда ее радиус и площадь поверхности определяется из формул

3 , 5Э 4/зл:(3 Vpp/л:) ,

Подставив условие превышения энергии химсвязей раствора Ерр над энергией взрыва Јвв, получим условие сохранения вяжущих свойств раствора для последующего упрочнения пород

QBB fr.Eff (

K2/0BBVq

Соединение этих условий позволяет получить условия выполнения способа упрочнения пород при взрывании заряда ВВ в растворе до начала схватывания.

Предлагаемый способ осуществляется в следующей последовательности: в месте

выполнения работ производится бурение шпуров на глубину, достаточную для заполнения искусственной трещиноватости, и с частотой, необходимой для равномерного

заполнения трещин раствором. Для вскрытия естественных плоскостей ослабления и равномерного насыщения массива твердеющим раствором в шпурах производят взрывание камуфлетных зарядов ВВ, созда0 ющихтрещиноватость, связанную со взрывными полостями после камуфлетных взрываний. Учитывая наличие забойки из сыпучего материала (например, песок), которая при динамических воздействиях обла5 дает значительным начальным сопротивлением, а при статических - невысоким, происходит ее выдувание из ствола шпура расширяющимися взрывными газами, однако требуется зачистка ствола шпура

0 и освобождение его от породной мелочи, что производится при помощи деревянной до- сылочной штанги или сжатого воздуха (пе- ребуривание взрывных полостей запрещено правилами безопасности в свя5 зи с возможным отказом ВВ). Через освобожденную часть шпура заполняют взрывную полость и связанную с ней трещи- новатость твердеющим раствором. В зависимости от объема пустот, связанных с

0 данным шпуром, и примерно равному объему раствора, заполнившего их, определяют величину заряда ВВ, создающего при взрывании давление в жидком растворе более прочности пород на разрыв.

5 Одновременно контролируют, чтобы величина заряда не превышала заряд, создающий при взрывании выделение энергии, достаточное для разрушения связей в растворе. В полученном диапазоне принимают

0 величину заряда ВВ, который через сохранившуюся часть шпура доставляют во взрывную полость, заполненную жидким раствором. Производят взрывание заряда В В до начала схватывания раствора.

5 Пример конкретного выполнения.

На шахте им. Героев космоса в I восточном магистральном штреке горизонта 350 м, проведенном по аргиллитам сопротивлением разрыву Rp 30 кг/см2, производили

0 упрочнение пород почвы. На глубину 2,5 м бурили вертикальные шпуры диаметром 42 мм и заряжали аммонитом Т-19 (0,3 кг). В качестве сыпучей забойки использовали песок, устье шпура обсаживали кондуктором из трубы 11/4 на длину 1 м. При взрывании

5 заряда сыпучая забойка была удалена взрывными газами. Во взрывную полость через кондуктор заливали раствор магнезиальных вяжущих с периодом схватывания 60 мин. При этом по емкости сосудов или производительности насоса определяли объем раствора, заполнившего взрывную полость и пустоты (Vn Vpp), величина объема составила 0,03-0,1 м3 (30-100 л).

Для конкретного месторасположения шпура и связанной с ним пустотности общим объемом Vpp 0,1 м3 развитие трещи- новатости обеспечивали взрывом заряда ВВ не менее: „«рвв VPP/Ki 0,1/1,1 УТЯТ 0,03, кг

где R - предел прочности породы на разрыв (Rp 30 кг/м2);

Ki - количество взрывных газов при взрыве 1 кг ВВ, для аммонита 1-19 1,1 м ;

Vpp - объем раствора, заполнившего шпур и связанную трещиноватость, (0,1 м

Для исключения нарушения свойств раствора ограничивали величину заряда ВВ не более

4 Ју Ерр /,. /

qBB K2/Lvq РРГя/З )4-1,7- 107- 14 107 , п . ,,Уз

5( 0,4 -2,0 8,2, кг,

где Ју- удельная энергия взрыва (1,7 х 10 ; Дж/кг;

рвв - плотность ВВ (2,0), кг/см ;

Vd - скорость детонации, (5 х 10 ), м/с;

Ерр - энергия химических связей раствора, (14х 107), Дж;

Ерр 0,7 х 106 Дж/моль х 200 моль 14 х 107, Дж;

N 200 моль - количество грамм-молей

и

в растворе магнезиальных вяжущих плотностью 1,3 г/см3.

При наличии большой пустотности (Vpp 3 м ) или использовании раствора гипсовых вяжущих (удельная энергия 45 кДж/моль) величина заряда ВВ, обеспечи- вающая разрыв породы, превышает доступную и допустимую энергию взрыва по условиям сохранения свойств раствора, поэтому бурение шпуров производилось через расстояние в 2,3 раза меньше, чем для магнезиальных вяжущих.

После повторного взрывания при проходке выработки было произведено вскрытие взрывных полостей и отобраны образцы пород для испытаний. Результаты испытаний показали, что прочность на сжатие упрочненной породы (из зоны упрочнения)

составила 24 МПа, что в 1,7 раз выше, чем прочность неупрочненных пород (14 МПа).

Преимуществами предлагаемого способа является повышение производительности работ по упрочнению, уменьшение

трудоемкости работ.

Экономический эффект предлагаемого способа заключается в уменьшении расхода раствора, повышении производительности работ и уменьшении частоты бурения шпуров.

Формула изобретения Способ упрочнения пород, включающий бурение скважин, размещение в них упрочняющего раствора и заряда ВВ, взрывание ВВ в растворе до начала его схватывания, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа, предварительно производят камуфлетное взрывание ВВ в скважинах для формирования полостей в

массиве и размещают в них упрочняющий раствор с ВВ, а количество ВВ в упрочняющем растворе определяют из выражения

0

4ЈVE

У СРР

K2/OVq

(V

рр

Гк-Ж

Yf ) qBB

V

РР

КТО

35

40

45

где еу - удельная энергия взрыва данного В В, Дж/кг;

р - плотность В В, кг/см3;

/д - скорость детонации, м/с;

двв - количество ВВ в заряде, кг;

Ki - коэффициент, показывающий количество взрывных газов, образующихся при взрыве 1 кг ВВ, м3/кг;

К.2 коэффициент, показывающий степень затухания действия взрыва в породе;

Vpp - объем раствора, заполнившего шпур и трещиноватость вокруг него при заполнении взрывной полости, м ;

Ерр - энергия химической связи молекул в упрочняющем растворе, Дж/см2;

Rp - предел прочности пород при разрыве, кг/см .

Использование: изобретение относится к упрочнению пород твердеющими составами с введением их энергией взрыва ВВ и может быть использовано для охраны подземных сооружений. Сущность изобретения состоит в получении упрочняющего раствора в затвердевшем состоянии большой прочности за счет сохранения свойств схватывания раствора при ограничении величины заряда ВВ. Способ осуществляется при помощи бурения шпуров, камуфлетного взрывания ВВ, заполнения полостей раствором, взрывания ВВ в растворе.