05.01.2021

Технология и механизация возведения крепи, использующих несущую способность заинъектированного массива


Весь технологический процесс крепления выработки, основанный на инъекционном упрочнении пород, можно разделить на два этапа: -первый этап заключается в возведении элементов, поддерживающих выработку до создания оболочки из упрочненных пород в забое; второй — включает в себя работы, связанные с инъекционным упрочнением пород, и выполняется с отставанием от проходческого забоя (время отставания является расчетным геомеханическим параметром).

Технология работ первого этапа — это традиционная и достаточно отработанная технология крепления выработок известными конструкциями: металлоарочной крепью, анкерами, набрызгбетоном.

Второй этап — тампонаж или инъекционное упрочнение пород включает в общем случае подготовительные работы и непосредственно приготовление и нагнетание скрепляющего раствора.

При возведении конструкций, использующих набрызгбетонные покрытия и анкеры-инъекторы (схемы I, II), подготовительные работы заключаются в проверке и обеспечении герметичности набрызгбетонного покрытия, а инъекционное упрочнение выполняется в один этап (отсутствует необходимость тампонажа пустот закрепного пространства).

Для конструкций, использующих металлоарочную крепь (схемы III, IV, V), подготовительные работы заключаются в подготовке участка для тампонажа, герметизации крепи, бурении тампонажных скважин и оборудовании их кондукторами (инъекторами).

Приведенная выше принципиальная технологическая схема крепления выработок не зависит от материалов, применяемых для создания ограждающе-изолирующего покрытия и инъекционного упрочнения пород. Поскольку в настоящее время наиболее широкое использование в горной практике получили набрызг-бетонные смеси и инъекционные растворы на основе цемента, то конкретные вопросы технологии и механизации отдельных этапов и процессов крепления будем рассматривать применительно к этим материалам.

При возведении крепей, использующих несущую способность упрочненного массива, требуется выполнение небольшого объема работ по бурению скважин. При установке апкеров-инъекторов бурение скважин производится в забое выработки (I и II конструктивно-технологические схемы), скважины для установки кондукторов и инъекторов бурят с отставанием от забоя при подготовке тампонажного участка (III, IV и V конструктивно-технологические схемы). Глубина, число и расположение скважин под анкеры-инъекторы определяются геомеханическими параметрами временной крепи. Инъекционные скважины бурят по периметру выработки в шахматном порядке из расчета одна скважина на 2—5 м2 ее поверхности. Расстояние между ними зависит от степени трещиноватости массива, проникающей способности инъекционного раствора, возможностей нагнетательного оборудования и уточняется опытным путем.

Для бурения скважин в слабых породах применяются электрические сверла СЭР-19М, ЭРП-18Д2М и пневматические — СР-3, СР-3Б, техническая характеристика которых приведена в табл. 3.17.

В прочных породах бурение может осуществляться с пневмоподдержек ручными перфораторами, техническая характеристика которых приведена в табл. 3.18.

Более эффективными средствами выполнения бурильных работ на всех этапах возведения породобетонной крепи являются легкие переносные станки МАП-1, ПА-1 и установки УВАК (табл. 3.19), а также тяжелые бурильные установки БУА-1С, БУА-3, применяемые для обуривания забоя.

Станок ПА-1 позволяет бурить скважины в породах с коэффициентом крепости по шкале М.М. Протодьяконова f<4. Он представляет собой ручное электросверло с принудительной подачей, установленное на распорной винтовой стойке. Конструкция стайка позволяет быстро его демонтировать и переоборудовать в два транспортабельных узла.

Станок МАП-1 механизирует бурение шпуров под анкеры по породам с коэффициентом крепости f<8 в выработках площадью сечения 3,5—6 м2. Машина состоит из двухскоростного электрического сверла, смонтированного на раздвижной тележке с двумя колесами для передвижения по выработке.

Гидравлический привод инструмента позволяет плавно регулировать скорость и усилие подачи.

Область применения станков ПА-1 и МАП-1 ограничивается высотой выработки до 3 м.

Практический интерес представляет применяемая в Донбассе при возведении анкерной крепи установка УВАК-3 (рис. 3.40) конструкции ДонУГИ, изготавливаемая на базе электрического сверла ЭРП-18Д2М и предназначенная для бурения шпуров по породам с коэффициентом крепости f=6. Она несложна в изготовлении и серийно выпускается заводами Минуглепрома России. Отличительной особенностью конструкции является наличие пылеуловителя, который в значительной мере снижает содержание пыли в шахтной атмосфере при бурении и улучшает условия труда проходчиков.

Рекомендации по выбору бурильного оборудования в зависимости от крепости пород и размеров выработки приведены в табл. 3.20.

В зависимости от принятой конструктивно-технологической схемы крепи, пробуренные скважины оборудуются анкерами-инъекторами или обычными ииъекторами (кондукторами). Специфика установки анкеров-ииъекторов заключается в том, что вначале, в зависимости от типа замковой части, они устанавливаются как соответствующие анкеры, а затем производится герметизация устья шпура, как у обычного стационарного кондуктора.

В зависимости от способа герметизации инъекторов в скважине, они разделяются на инъекторы одноразового (стационарные) или многократного использования. Инъекторы одноразового использования закрепляются в скважине на быстротвердеющем цементно-песчаном растворе (рис. 3.41). При многократном использовании инъектор распирается в скважине с помощью механических уплотнительных устройств различной конструкции (рис. 3.42). Такое устройство может состоять из одного или нескольких резиновых колец, которые расширяются при их сжатии вдоль оси инъектора (рис. 3.42, а). В зарубежной практике широкое применение нашли устройства, состоящие из упругой оболочки, которая разжимается под давлением с помощью жидкости, воздуха или инъектируемого раствора (рис. 3.42,б). В ФРГ магнезиальные вяжущие нагнетают с помощью высоконапорных инъекторов (зондов) диаметром 42 мм. Под воздействием давления нагнетаемого раствора корпус зонда расширяется, обеспечивая падежный распор в скважине. Расположенная на конце инъектора резиновая форсунка осуществляет смыв частиц угля и породы в процессе нагнетания раствора.

В МакИСИ разработан инъектор-герметизатор многоразового использования, хорошо зарекомендовавший себя при ведении инъекционных работ в шахтах им. Стаханова и им. Засядько (рис. 3.43). Он состоит из винта с прямоугольной резьбой 9, по которому ходит гайка 8. При вращении гайки за ручку 11 происходит перемещение нажимной трубы 7, которая передает усилие через шайбы 3 и 5 на резиновые уплотнительные элементы 2 при расширении которых происходит герметизация шпура. Шайба 1, закрепленная на наконечнике 4 двумя гайками, служит для упора разжимающихся уплотнительных элементов 2. Скрепляющий раствор подается по внутреннему каналу винта 9, промежуточной трубе 6 и наконечнику 4 в загерметизированный шпур. Патрубок 10 применяется для подсоединения высоконапорной магистрали. В процессе установки в шпур герметизатор поддерживается за ручку 12.

Перед началом работы гайка 8 отводится в крайнее заднее положение. Уплотнительные элементы 2 и шайбы 1, 3, 5 смазываются солидолом. При подключении герметизатора к высоко-напорной магистрали перед ним устанавливается вентиль сброса давления. При установке герметизатор досылается в шпур на необходимую глубину, соответствующую зоне упрочнения. Вращением гайки 8 производится распор уплотнительных элементов 2 (в начальный момент установки герметизатор удерживается от поворота за ручку 12),

После окончания нагнетания необходимо сбросить давление в шпуре. (открыть крап сброса давления) и, отведя гайку 8 в крайнее заднее положение, снять распор с уплотнительных элементов 2 (см. рис. 3.43). Затем в зависимости от технологии обработки массива сдвинуть герметизатор в сторону устья либо переставить в другой шпур. После окончания нагнетания герметизатор (как и все оборудование) промывается чистой водой.

На закрепленные инъекторы устанавливают краны или цементационные головки в зависимости от принятого способа нагнетания раствора. Раствор в скважину подают при постоянном давлении или при постоянном расходе. При этом выделяют три схемы нагнетания: зажимную, циркуляционную и полуциркуляционную (рис. 3.44).
Технология и механизация возведения крепи, использующих несущую способность заинъектированного массива

В практике инъекционного упрочнения пород с целью повышения устойчивости горных выработок чаще всего применяется наиболее простая — зажимная схема нагнетания. Однако более универсальна циркуляционная схема нагнетания. По этой схеме раствор подается по нагнетательной трубе до забоя скважины при постоянном давлении и расходе большем, чем может поглотить массив. Избыточное количество раствора движется вдоль стенок скважины и возвращается обратно в расходную емкость. Тем самым обеспечивается постоянная циркуляция раствора в скважине и всей нагнетательной системе. Движущийся в затрубном пространстве скважины и отводящих трубопроводах раствор не дает оседать крупным частицам и поддерживает их во взвешенном состоянии. Такая седиментационная устойчивость раствора возможна при скорости его движения не менее 0,5— 0,7 м/с. Задвижка, установленная на отводящем трубопроводе, позволяет регулировать давление нагнетания.

Достоинством циркуляционной схемы является то, что она обеспечивает высокое качество инъекции трещин и пустот при нагнетании растворов различной концентрации. Такую схему нагнетания целесообразно применять при тампонировании мелкотрещиноватых пород, так как постоянная циркуляция раствора исключает закупорку устьев топких трещин частицами осевшей твердой фазы.

При полуциркуляционной схеме нагнетания раствор в скважине перемещается от устья к забою, а циркуляция его происходит вне скважины, т. е. между насосом и цементационной головкой по трубопроводам. Эта схема, отличающаяся простотой оборудования скважин, применима для тампонирования пород с тонкими и крупными трещинами. Высокое качество инъекции пород достигается введением в раствор добавок для уменьшения осаждения твердой фазы из раствора в скважине и для повышения его проникающей способности.

Для получения плотного заполнения трещин цементирующим материалом при циркуляционной и полуциркуляционной схемах нагнетания инъектирование ведется при постоянном давлении и переменном расходе раствора, доводимом до нуля в конце нагнетания.

По зажимной схеме раствор нагнетается в скважину в количестве, соответствующем производительности насоса. Раствор, подаваемый при постоянном расходе, движется в скважине от устья к забою. При этом давление нагнетания повышается по мере заполнения трещин цементирующим материалом. Инъекция ведется до резкого повышения давления, т. е. до отказа.

При нагнетании густых скрепляющих растворов возможно преждевременное осаждение твердых частиц и быстрая закупорка скважины. Качество инъекции в этом случае снижается, так как происходит заполнение только устьев трещин. Для более равномерного тампонирования скважины по всей ее длине при зажимной схеме нагнетания следует применять инъекторы перфорацией корпуса.

Установленные в скважине инъекторы оборудуют стальными конусными и шаровыми кранами. Раствор от насоса к скважине подают по металлическим (постоянным) или гибким трубопроводам. В качестве гибких элементов, трубопроводов напорной линии используют рукава: резиновые, напорные, с нитяными оплетками (ГОСТ 10362—76); резинотканевые, напорные (ГОСТ 18698—79); буровые, оплеточные (МРТУ 38-10557—73).

Для транспортирования раствора по постоянной напорной линии применяют стальные бесшовные горячедеформированные трубы (CT СЭВ 1483—78).

I, II и V конструктивно-технологические схемы предусматривают нанесение по контуру выработки набрызгбетонного покрытия, выполняющего несущие, ограждающие и изолирующие функции.

В набрызгбетонных смесях в качестве вяжущего рекомендуется применять портланд, шлакопортланд, гипсоглиноземистые и водонепроницаемые расширяющиеся цементы марки не ниже 300. При наличии агрессивных вод, для повышения долговечности цементного камня используют агрессивно-устойчивые цементы, при углекислотной и кислотной агрессивности — пуццолановый цемент или шлакопортландцемент, при сульфатной: агрессивности — сульфатостойкий портландцемент и сульфатостойкий пуццолановый портландцемент.

Исходя из современного уровня развития технологии и механизации набрызгбетонных работ для создания несущих и ограждающих покрытий наиболее приемлема технология «сухого» набрызга.

Для приготовления сухой смеси в качестве мелкого заполнителя используется песок с влажностью не более 3—5%, а в качестве крупного заполнителя — гранулированный шлак или щебень, максимальный размер частиц которого не должен превышать 5 мм при толщине набрызгбетонного покрытия до 30 мм и: 10 мм при толщине покрытия 30—100 мм.

Расход цемента на 1 м3 сухой смеси зависит от его марки, требуемой прочности бетона, гранулометрического состава заполнителя и ориентировочно может приниматься по табл. 3.21.

Расход остальных компонентов на 1 м3 сухой смеси определяется из условия сохранения абсолютного объема смеси после смешивания компонентов с учетом коэффициента выхода готовой продукции, равного 0,9.

С целью уменьшения сроков схватывания набрызгбетонных: составов применяются ускоряющие добавки, которые вводятся или с водой затворения или добавляются в виде порошков в сухую смесь (табл. 3.22).

Машины для нанесения набрызгбетонных покрытий сухим способом разделяют на камерные, роторные и шнековые.

Машины камерного типа изготавливаются с одной или двумя емкостями (рис. 3.45). У двухкамерных нижняя емкость постоянно находится под давлением, обеспечивая цикличность, близкую к непрерывной. Машины такого типа за рубежом изготавливают фирмы «Бетоншприцмашины», «Торкрет» (ФРГ), «Милано» (Италия), «Ридлей» (США) и народные предприятия ГДР. Подобную конструкцию имеют и машины, выпускаемые в России, — БМ-60 (вариант с двумя камерами), С-630А, С-702, СБ-66. Недостатком набрызгмашин этого типа является большая высота загрузки, малая вместимость камер (120—150 л), повышенная запыленность у места работ, связанная с выпуском в атмосферу выработки сжатого воздуха с цементной пылью при переключении клапанов загрузочных отверстий.

Однокамерные машины цикличного действия имеют вместимость камеры в 1,5—2 раза большую, чем двухкамерные. Уровень запыленности при их работе такой же, как и у машин с двумя камерами. К машинам этого типа, выпускаемым отечественной промышленностью, относятся: СБ-67, ОБ-67А и БМ-60. Причем наибольшее распространение при креплении горных выработок получила иабрызгмашина БМ-60.

Основными достоинствами машин камерного типа являются простота конструкции и малая энергоемкость. К недостаткам следует отнести: большие основные размеры, выброс цементной пыли в атмосферу в местах загрузки, сложность управления (для случая двухкамерного исполнения).

К машинам роторного типа, работающим на «сухой» смеси, относятся набрызгмашины, у которых отсутствует емкость, находящаяся под давлением (рис. 3.46). Конструктивной особенностью таких машин является наличие роторного барабана с ячейками, устанавливаемого на вертикальном валу редуктора. Загружаемая в бункер сухая смесь, проходя через ячейки ротора, попадает в смесительную камеру, из которой подхватывается сжатым воздухом и направляется в материальный шланг.

Машины роторного типа выпускают фирмы «Торкрет» (ФРГ), «Алива» (Швейцария), «Эймко» (Великобритания), а также в США, Чехии и России (С-320, БМ-68, БМ-70, СБ-117).

Достоинствами машин роторного типа являются небольшая высота, простата управления и непрерывность работы. Однако по конструктивному исполнению роторные машины сложнее камерных. К недостаткам следует отнести быстрый износ резиновых уплотнителей и несколько большую потребляемую мощность, чем у машин камерного типа.

Конструктивной особенностью машин шнекового типа является наличие шнека, обеспечивающего транспортирование сухой смеси в камеру выдува (рис. 3.47). Набрызгмашины этого типа изготавливаются с вертикальным шнеком (ТП-3М, БС-12) и горизонтальным (СБС-1, ПБМ-1, ПБМ-2, ПБМ-3), причем у последних бункер может быть выполнен открытым или герметичным и большегрузным.

Машины шнекового типа отличаются малой высотой загрузки, простотой рабочего органа, отсутствием уплотнителей, клапанов и переключателей. Их основными недостатками являются возможность прорыва сжатого воздуха через цилиндр шнека при неполной загрузке бункера материалом, а также значительный расход пневмоэнергии (в 4—5 раз больше, чем у машин камерного типа).

Техническая характеристика машин «сухого» набрызга, получивших наиболее широкое применение на практике, приведена в табл. 3.23.

Самым ответственным этапом технологии крепления выработки, основанной на упрочнении массива, является выполнение инъекционных работ для создания породобетонной несущей конструкции. Начинается этот этап с подготовительных работ.

Если при возведении временной крепи в качестве ограждающего и изолирующего элемента использовалось набрызгбетонное покрытие, то подготовительные работы состоят в проверке его герметичности и, в случае необходимости, ремонте его повторным набрызгом. Если не используются анкеры-инъекторы (схема V), производятся бурение инъекционных скважин установка инъекторов.

Подготовка выработки, закрепленной металлоарочной крепью с железобетонной затяжкой, начинается с. разбивки ее на тампонажные участки длиной 10—30 м (в зависимости от качества забутовки закрепного пространства) с помощью герметизирующих перемычек. Во вновь проводимых выработках перемычки следует устраивать в процессе возведения крепи в виде бетонной или породобетонной стенки между породным контуром и крепью. В пройденных выработках на границе тампонируемых участков через 0,7—1 м по периметру выработки бурят скважины в крепи. В скважины устанавливают кондукторы, через которые подают густой цементно-песчаный раствор или бесщебеночный бетон. При больших зазорах между крепью и породным контуром перемычку возводят послойно за несколько приемов.

Герметизация поверхности крепи для предотвращения вытекания инъекционного раствора может выполняться вручную «жирным» цементно-песчаным раствором (В:Ц=1:2).

Опыт строительства шахт «Должанская-Капитальная» и «Ворошиловградская» № 1 в Донбассе показал, что ручную чеканку швов между железобетонными затяжками можно успешно заменить набрызгбетонным покрытием толщиной 2—3 см по всей поверхности крепи. Механизированный способ является более эффективным при любом состоянии крепи.

К покрытиям, наносимым методом набрызга на затяжку и выполняющим только изоляционные функции, предъявляются меньшие требования с точки зрения прочностных характеристик, чем к набрызгбетонной крепи, поэтому для этих целей целесообразней применять технологию «мокрого» набрызга, которая по сравнению с технологией «сухого» имеет следующие преимущества: качество покрытия в меньшей степени зависит от квалификации рабочего, уменьшается запыленность воздуха и отскок материала, для приготовления смеси можно использовать песок любой влажности.

Для возведения породобетоиных крепей наибольший интерес представляют установки «мокрого» набрызга, которые могут выполнять и инъекционные работы.

В ИГТМ АН Украины разработана установка 1УМБ, которая предназначается для нанесения набрызгбетонных покрытий и производства тампонажных работ. Установка расположена на тележке, установленной на рельсовом пути с колеей 900 мм, и состоит из следующих узлов и механизмов (рис. 3.48): емкости для хранения сыпучих материалов 1, выполненной в виде бункера с двумя отсеками; дозирующе-смесительного устройства 3, изготовленного в виде двухступенчатого шнекового вала и побудителя (второго шнекового вала); емкости для хранения ускорителей схватывания с аэрозольным смесителем 2; турбулентного смесителя 5 с верхним расположением электродвигателя; нагнетательного устройства 4 в виде трехплунжерного насоса НБ 3-10/40; сопла-инъектора 6.

Отсекатель, расположенный в нижней части турбулентного смесителя, позволяет, не останавливая процесса приготовления смеси, выполнять промывку насоса и нагнетательной линии водой.

Установка автоматически смешивает и дозирует сухие компоненты смеси, загружая их в турбулентный смеситель. В смесителе выполняются затворение сухой смеси водой, окончательное смешивание и активация раствора. Приготовленный раствор подается нагнетательным устройством к соплу-инъектору, где происходит смешивание его с аэрированным ускорителем схватывания. По такой технологии, полностью исключающей пыле-образование в выработке, осуществляются приготовление и нанесение набрызгбетонных покрытий «мокрым» способом или приготовление тампонажного раствора для инъекции.

В последнее время рядом институтов (ВНИИГД, ЦНИИ-подземмаш, ДПИ) и другими организациями разработаны опытные образцы установок, позволяющих наносить набрызгбетонные покрытия «мокрым» способом и нагнетать тампонажные растворы. По принципу устройства и работы эти установки аналогичны широко применяемой в практике ФРГ машине «Пионер» USI-139 (рис. 3.49), которая состоит из поршневого растворонасоса и смесительного оборудования, включающего смеситель принудительного действия вместимостью 0,17 м3 и воронку для материалов вместимостью 0,20 м3, имеющую встроенную мешалку. На воронке закреплены виброгрохот с ячейками 12 мм и пневматическое вибрационное устройство. Максимальное давление нагнетания, создаваемое насосом, составляет до 4 МПа. Кроме того, нагнетательное устройство снабжено автоматической системой регулирования давления, позволяющей включать в работу насос при понижении заданного давления на 10%.

Экспериментальная проверка и эксплуатация в шахтных условиях машины «Пионер» USI-139 и аналогичных по конструкции отечественных установок подтвердили их работоспособность и надежность в эксплуатации. Тем не менее эти установки не могут быть широко использованы в практике тампонажных работ, так как изготавливаются в виде отдельных экспериментальных образцов.

Технические характеристики установок 1УМБ и USI-139 приведены в табл. 3.24.

С целью упрощения конструкции и сокращения сроков изготовления такого типа установок в МакИСИ была предложена конструкция машины, в которой использовалось серийно выпускаемое смесительное и нагнетательное оборудование, расположенное на платформе шахтной вагонетки. Были изготовлены четыре экспериментальных образца машин, конструкция которых совершенствовалась в процессе шахтных испытаний. В качестве нагнетательного устройства использовали растворонасос СО-10, а для приготовления смеси — два типа смесителей: лопастной СО-46 и турбулентный СБ-43.

При приготовлении густых растворов для набрызгбетонирования более работоспособным зарекомендовал себя смеситель СО-46, а при обработке растворов для инъектирования массива турбулентный. Однако производительность обоих агрегатов оказалась недостаточной, чтобы обеспечить нормальную работу растворонасоса. Поэтому в последнем экспериментальном образце установки предусматривалось использование сразу двух растворосмесителей СО-46.

Для непрерывной работы установки во всех четырех образцах устанавливались приемные (промежуточные) емкости вместимостью, превышающей в 2—3 раза вместимость смесителя. Сразу над приемной емкостью располагается вибросито с ячейками 12 мм. Установки с одним смесителем компоновались на платформе шахтной вагонетки ВГ-2,5, а с двумя смесителями — на платформе шахтной вагонетки ВГ-3,3. Поскольку применяемый растворонасос несамовсасывающий, то при компоновке оборудования приемная емкость устанавливалась выше уровня всаса насоса. Установки компоновались соплом с подводом сжатого воздуха для процесса набрызгбетонирования и штуцером с накидной гайкой для процесса тампонирования. Комплектуемые к насосу и смесителю электродвигатели обычного исполнения заменялись на взрывобезопасные или пневмодвигатели.

В процессе опытной проверки и эксплуатации экспериментальных установок на шахтах им. Засядько и «Южно-Донбасская» № 3 устранялись выявленные недостатки и совершенствовались отдельные узлы машины. В результате была создана надежная в эксплуатации и простая в управлении установка, обеспечивающая нанесение набрызгбетонных покрытий «мокрым» способом и нагнетание тампонажных растворов. Одним из основных ее достоинств является незначительный объем конструктивных переделок, позволяющий при наличии смесителя и растворонасоса силами шахтных электромеханических мастерских изготовить подобную машину в короткий срок. Общий вид установки показан на рис. 3.50.

Специфика работ по тампонированию и нанесению набрызгбетонных покрытий требует, чтобы установка была маневренна и мобильна при передвижении по выработке, и особенно в призабойной части. В этом случае преимущество будут иметь более компактные и небольшие по размерам установки, у которых процесс подготовки к работе занимает минимум времени. Проведенные испытания показали, что этим требованиям в большей степени соответствуют установки, работающие на пневмоэнергии.

После окончания подготовительных работ приступают к инъекционному упрочнению массива. I, II и V конструктивно-технологические схемы из-за отсутствия закрепного пространства позволяют сразу же выполнять глубинную инъекцию. При применении металлоарочной крепи с железобетонной затяжкой упрочнение пород обычно ведут в две очереди. Вначале заполняют пустоты закрепного пространства и крупные трещины, а затем нагнетают цементный раствор в приконтурную область интенсивно разрушенных и трещиноватых пород. Иногда одного тампонажа закрепного пространства достаточно для прекращения сдвижений массива, поскольку тампонажный раствор проникает в трещины, выходящие на породный контур, и упрочняет прилегающие к выработке породы. Опыт тампонажных работ показал, что в отдельных случаях цементно-песчаный раствор, нагнетаемый в закрепное пространство, может проникать в массив на глубину 0,7—1 м.

Наибольшее распространение в практике тампонажных работ получили цементные растворы, опыт применения которых известен уже более 100 лет. Это объясняется тем, что цемент является наиболее распространенным и сравнительно дешевым материалом для тампонажных смесей и с введением в них различных добавок позволяет в широком диапазоне изменять качества и свойства растворов.

В качестве вяжущего для приготовления тампонажных растворов в большинстве случаев применяют портландцементы. При наличии агрессивных подземных вод для повышения долговечности цементного камня используют агрессивно-устойчивые цементы: пуццолановый, шлакопортландцемент и сульфатостойкий пуццолановый портландцемент.

Для регулирования свойств тампонажных растворов применяют добавки-активаторы, которые по своему назначению делятся на несколько групп.

1. Добавки-наполнители:

- инертные (известняки, песчаники, пески, древесные опилки, различные волокнистые материалы и др.);

- активные (природные: диатомиты, трепелы, опоки, туфы, пемзы; искусственные: доменные шлаки, нефелиновый шлам, зола и др.).

2. Пластифицирующие добавки:

- минеральные (бентонитовые и обычные глины, известковое тесто, тонкомолотые кремнеземистые породы и др.);

- поверхностно-активные (концентраты сульфитно-дрожжевой барды, мылонафтасидол и др.).

3. Добавки, регулирующие время схватывания и твердения: ускорители схватывания и твердения (хлористый кальций, хлорное железо, алюминат натрия, хлористый алюминий, нитраты калия, кальция и натрия, жидкое стекло ОЭС и др.);

- замедлители схватывания и твердения (поверхностно-активные пластифицирующие добавки, крахмал, соляная кислота, хлористый аммоний и др.).

Наибольшее распространение в практике тампонажных работ получили следующие добавки:

хлорное железо — повышает седиментационную устойчивость растворов и уменьшает сроки их схватывания. Кроме того, добавка хлорного железа способствует повышению водонепроницаемости и прочности цементного камня в ранние сроки твердения. В раствор вводится в количестве 0,5—1,5% массы цемента;

- хлористый кальций — способствует резкому сокращению сроков схватывания раствора, а также обеспечивает нарастание прочности тампонажного камня в ранние сроки твердения, введение в раствор -хлористого кальция в количестве 2—5% массы цемента повышает прочность тампонажного камня в 28-суточном возрасте на 10—15%;

жидкое стекло — применяется в качестве сильнодействующего ускорителя схватывания и твердения тампонажного раствора при любом водоцементном отношении. Вводимое в раствор жидкое стекло способствует повышению седиментационной устойчивости смеси и снижению конечной прочности тампонажного камня на 15%;

- бентонитовые глины — вводятся в раствор в качестве пластифицирующей добавки в количестве 2—5% массы цемента. Увеличение содержания добавки в растворе приводит к увеличению сроков схватывания и снижению прочности тампонажного камня;

сульфитно-дрожжевая барда (СДБ) — используется в качестве пластифицирующих добавок при приготовлении тампонажных растворов густой консистенции. Применение СДБ способствует улучшению подвижности растворов и повышению прони-. кающей способности. СДБ вводится в виде водного раствора в количестве 0,1—0,3% массы цемента;

добавка ОЭС — представляет собой смесь тонкомолотого спека глиноземных заводов, способствует уменьшению сроков схватывания, повышению седиментационной устойчивости цементных растворов и степени водонепроницаемости тампонажного камня. Для нормального протекания процесса взаимодействия добавки ОЭС с портландцементом сроки хранения вяжущего не должны превышать двух месяцев со дня его изготовления.

Сроки схватывания тампонажных растворов зависят не только от введения добавок — активаторов, но и от минералогического состава цемента, количества воды затворепия и температуры окружающей среды. Температурные условия +17-25 °C являются наиболее благоприятными для твердения растворов. С понижением температуры сроки схватывания удлиняются.

При заполнении пустот закрепного пространства для сокращения расхода цемента используются цементно-песчаные растворы. Введение в раствор крупнозернистого песка увеличивает прочность тампонажного камня и ускоряет процесс его твердения, однако делает приготавливаемые смеси малоподвижными, что затрудняет их перекачивание насосами. Такие растворы рекомендуется использовать при подаче в тампонируемое пространство самотеком по трубам. В практике тампонажных работ при приготовлении цементно-песчаных растворов, как правило, применяются мелко- и среднезернистые пески.

При нагнетании цементно-песчаных растворов немаловажное значение имеет показатель выхода тампонажного камня, который повышается с увеличением содержания в смеси песка, добавлением жидкого стекла в количестве более 5% массы цемента и минеральных добавок в количествах более 10% массы песка.

Цементно-песчаные растворы отличаются довольно низкой седиментационной устойчивостью. Основная масса твердых составляющих оседает за весьма короткий период времени — до 1 мин. Характерный для этих растворов быстрый процесс оседания песка и цемента вызывает трудности в нагнетании смеси, так как в самом насосе и нагнетательной системе часто образуются пробки. Повышение седиментационной устойчивости раствора и его пластичности достигается введением в состав тонкодисперсных глин или виброактивационной обработкой смеси в процессе ее приготовления. Добавление в раствор бентонитовой глины в количестве до 5% массы песка увеличивает в 3—4 раза время оседания твердых частиц. Поэтому при тампонировании пустот закрепного пространства целесообразно использовать для приготовления цементно-песчаного раствора пески, содержащие включения глинистых частиц, что способствует улучшению перекачиваемости смеси. Однако повышенное содержание в растворе глины (свыше 10%) приводит к снижению прочности тампонажного камня.

Расход компонентов для приготовления 1 м3 цементно-песчаного раствора определяется по формулам:

где Ц, П, В — число частей по массе соответственно цемента, песка и воды; рц, рп, рв — плотности соответственно цемента, песка и воды.

Примерные составы цементно-песчаных растворов приведены в табл. 3.25.

Расход цемента и воды для приготовления 1 м3 цементного раствора определяется из выражений

Примерные составы инъекционных цементных растворов приведены в табл. 3.26.

Нормальное протекание процесса нагнетания смеси, а также эффективность работ по упрочнению породного массива зависят от качества приготовления тампонажных растворов.

Для приготовления качественных тампонажных растворов применяют высокооборотные малогабаритные лопастные и турбулентные смесители. Лопастные растворосмесители имеют вертикальный или горизонтальный вал, который при вращении пересекает весь объем загруженных в емкость материалов и перемешивает их. У турбулентных растворосмесителей (рис. 3.51) перемешивание выполняется ротором, диаметр которого в 2—2,5 раза меньше диаметра смесительной емкости. Частота вращения ротора в 10—15 раз выше, чем у лопастного вала обычных смесителей. Создаваемые ротором интенсивные центробежные потоки приводят в движение весь объем смешиваемой массы, в результате чего достигается быстрое приготовление высокоподвижных смесей. Для интенсификации процесса приготовления раствора турбулентным смесителем рекомендуется постадийное перемешивание. Вначале в смесителе смешивается вода с цементом, а затем добавляется песок. При этом общее время смешиваемой массы не превышает 1 мин.

Наиболее широкое распространение получили лопастные смесители СО-46А и турбулентные СБ-43, техническая характеристика которых приведена в табл. 3.27. Вместимость при загрузке для СО-46А (СБ-43) составляет 0,080 м3, а объем готового замеса — 0,065 м3.


Исследования, проводившиеся в лаборатории цементации ВНИИГ, показали, что турбулентный смеситель значительно превосходит лопастный по качеству перемешивания раствора. Наряду с большим сокращением времени приготовления раствора достигается активация цемента, приводящая к существенному увеличению прочности цементного камня. Растворы, обработанные в высокоскоростном смесителе, отличаются повышенной дисперсностью, высокой пластичностью и стабильностью, лучшей проникающей способностью. При повышенной частоте вращения (15—60 с-1) существенно улучшаются физико-механические свойства растворов даже при продолжительности перемешивания 15—30 с. При этом увеличивается однородность структуры раствора и получаемого цементного камня. Так, например, скорость седиментации частиц в растворах, приготовленных в турбулентном смесителе, снижается в 2,5—3,5 раза по сравнению с растворами, перемешиваемыми в обычных условиях, а прочность цементного камня повышается до 70%.

Повышение стабильности раствора и снижение его расслаиваемости позволяют увеличивать дальность транспортирования тампонажной смеси по трубам. Эксперименты показали, что дальность перекачки растворов, приготовленных турбулентными смесителями, по трубопроводам без заметного расслаивания в 2—2,5 раза выше, чем для обычных растворов той же консистенции.

Таким образом, исследования, проведенные во ВНИИГ, подтвердили, что для приготовления качественных тампонажных растворов наиболее целесообразно применять высокооборотные турбулентные смесители.

При отсутствии вышеуказанных механизмов приготовление раствора выполняется в обычных вагонетках с глухим дном, оборудованных лопастным или шнековым смесителем с приводом от пневмо- или электродвигателя (рис. 3.52). Раствор может также перемешиваться при помощи сжатого воздуха. Для этого на дно вагонетки укладывается конструкция из металлических перфорированных труб (рис. 3.53).

Специфика работ по упрочнению требует больших расходов цементно-песчаного раствора при давлении нагнетания до 0,2—0,3 МПа и небольших расходов цементного раствора при давлении до 5 МПа. Специальные насосы, предназначенные для нагнетания таких растворов при упрочнении пород, не выпускаются. Для этих целей применяются геологоразведочные и строительные насосы, техническая характеристика которых приведена в табл. 3.28 и 3.29.

Буровые геологоразведочные насосы предназначены для нагнетания промывочной жидкости в скважину при геологоразведочном и структурно-поисковом бурении и входят в состав буровых установок. В качестве промывочной жидкости применяются растворы на нефтяной основе, глинистые и техническая вода.

Согласно техническим требованиям, содержание песка или других абразивных частиц в перекачиваемой жидкости не должно превышать 5%, а ее плотность — 1,3 г/см3. Поэтому использование буровых геологоразведочных насосов для нагнетания тампонажных растворов, содержащих частицы цемента и песка, без специальной переделки конструкции клапанов недопустимо. Для увеличения срока безремонтной работы насосов быстроизнашивающиеся тарельчатые клапаны меняют на шаровые металлические — целиковые или полые, а также обрезиненные. Схема замены тарельчатых клапанов на шаровые показана на рис. 3.54. Переделка заключается в установке в каждой крышке клапанной системы четырех направляющих шпилек или направляющей втулки для ограничения движения металлического шара. Шаровые клапаны размером 40—60 мм работают как массовые — без пружинной нагрузки При этом уплотнение происходит по линейной кольцеобразной поверхности. Такую замену клапанов выполняют только на тихоходных поршневых пасосах.

Для нагнетания густых цементно-песчаных растворов при тампонаже закрепного пространства применяются строительные растворонасосы, которые представляют собой сочетание одноступенчатого горизонтального плунжерного насоса простого действия с диафрагмовой камерой (рис. 3.55). Кривошипно-шатунный механизм насоса приводит в движение плунжер, который, воздействуя на промежуточную жидкость, вызывает периодическую деформацию резиновой диафрагмы. Последняя, изгибаясь, обеспечивает всасывание и нагнетание раствора через шаровые клапаны в растворовод. Иногда для увеличения крупности наполнителя раствора шаровые клапаны заменяют лепестковыми из конвейерной резиновой ленты. Для смягчения пульсаций раствора в насосе предусмотрен воздушный колпак. Подачу раствора можно регулировать путем неполного заполнения насосной камеры промежуточной жидкостью (водой) или возвращая часть раствора из насосной линии в резервуар при помощи перепускного устройства.


Процессы приготовления и нагнетания растворов являются наиболее сложными и ответственными в общем цикле работ по креплению, они взаимосвязаны и оказывают определяющее влияние на эффективность упрочнения пород и работоспособность породобетонной крепи.

При приготовлении тампопажных растворов особое внимание следует уделять тщательности дозировки компонентов, которые вводятся в следующей последовательности: вода, добавки, цемент, песок. Цемент и песок должны тщательно просеиваться, так как попадание в насос крупных частиц твердой фазы может привести к нарушению нормальной работы клапанов. Для этого применяются вибросита с размером отверстий не более 5—10 мм для сыпучих материалов. При больших объемах приготавливаемого тампонажного раствора с целью уменьшения запыленности шахтной атмосферы просеивание, дозировку и смешивание сыпучих материалов выполняют на поверхности а затем в мерной таре опускают в шахту.

Компоненты тампонажного раствора дозируют как по объему, так и по массе. Обычно дозирование сыпучих материалов выполняется мерными ящиками, а воды — мерными емкостями. Компоненты для приготовления цементно-песчаных растворов дозируют со следующей точностью: цемента до 2%, инертных добавок до 5% (по массе), воды до 3% (по объему).

При тампонаже закрепного пространства и крупных трещин готовятся цементно-песчаные растворы состава от 1:3:1 до 1:5:2 (Ц:П:В). В Западном Донбассе используются тампонажные растворы, более насыщенные песком (Ц:П:В = 1:6:1,75). Для нагнетания в мелкие трещины и поры используют цементные растворы без песка. Водоцементное отношение инъекционных растворов изменяется от 1:2 до 5:1 в зависимости от степени трещиноватости пород упрочняемой зоны.

При приготовлении растворов не следует смешивать цементы различных видов и марок. Используемый цемент не должен содержать посторонних примесей. Затворяемая вода должна удовлетворять требованиям технических условий на приготовление бетонов (ГОСТ 23732—79).

Обязательным требованием, обеспечивающим качественную и производительную работу, является непрерывное ведение процесса нагнетания. Условие непрерывного ведения процесса нагнетания вызвано тем, что перекачиваемый цементно-песчаный раствор имеет низкую седиментационную устойчивость и способность быстро расслаиваться и осаждаться. Поэтому при частых остановках процесса нагнетания происходит осаждение твердых частиц раствора по всей нагнетательной и всасывающей системе.

Для обеспечения непрерывности процесса инъектирования производительность смесителя должна быть не меньше подачи насоса. Непрерывная работа установки обеспечивается двумя смесителями: в одном ведется приготовление смеси, а из второго нагнетается готовый тампонажный раствор. При смешивании раствора в шахтных вагонетках нагнетание и приготовление смеси выполняется одновременно.

При вынужденной остановке насоса выполняют промывку системы чистой водой. Подачу смеси прекращают в случаях, когда в крепи выработки образуются значительные течи. Течь устраняют густым цементно-песчаным или глиноцементным раствором.

Нагнетание скрепляющих растворов в породный массив, вмещающий горную выработку (глубинное упрочнение), требует от исполнителей высокой ответственности и добросовестности, а также квалификации и определенных навыков. В процессе глубинного упрочнения особое внимание уделяется контролю качества заполнения трещиноватого массива ииъектируемым раствором. Кроме того, в процессе нагнетания иногда возникает необходимость в изменении консистенции раствора путем корректировки водоцементного отношения. Вначале нагнетают более водонасыщенные растворы с постепенным снижением в них содержания воды. При этом водоцементное отношение инвестируемого раствора может изменяться от 5:1 до 1:2.

Нагнетание раствора в сечении выработки начинают с нижних скважин и постепенно переходят к верхним. При определении очередности инъектирования придерживаются правила постепенного сближения, скважин. В этом случае тампонирование ведется вдоль оси выработки через ряд, а затем приступают к нагнетанию раствора в скважины пропущенного ряда. Незатампонированные скважины используют для дрепирования отфильтровавшейся из цементного раствора жидкой фазы и контроля за насыщаемостью массива.

При глубинном упрочнении массива давление доводят до 1—3 МПа и поддерживают в течение нагнетания раствора, изменяя подачу насоса. Инъектирование массива продолжается до тех пор, пока величина расхода нагнетаемого раствора не снизится до нуля, после чего в течение некоторого времени поддерживается давление в нагнетательной линии насоса для ускорения отфильтровывания жидкой фазы раствора. При насыщении породного массива ииъектируемым раствором перекрывается запорный кран на головке кондуктора без снятия давления в системе. А затем переходят к нагнетанию в следующую скважину.

Наиболее сложна инъекция породного массива с мелкой трещиноватостью. В этом случае излишне густой раствор может закупорить устья трещин и массив остается незатампонированным. Закупорку трещин можно избежать нагнетанием пластичного раствора, постепенно увеличивая его жесткость.

По окончании тампонажных работ выполняют тщательную промывку водой нагнетательной и всасывающей линий насоса, а также смесителя. При работе с густыми цементно-песчаными растворами промывают рабочую камеру насоса и проверяют клапаны.

Важными вопросами в организации тампонажных работ являются увязка их с операциями проходческого цикла и размещение технологического оборудования в выработке.

К работам по упрочнению пород в проводимой выработке приступают в том случае, когда вокруг нее сформировалась зона разрушенных и трещиноватых пород, в которую можно инъектировать скрепляющие растворы, т. е. через месяц с момента проведения выработки. При существующих скоростях проведения основных горных выработок проходческий забой продвинется за это время на 60—100 м. Следовательно, на таком расстоянии от забоя вокруг выработки сформируется зона разрушенных и трещиноватых пород, в которую можно будет начать инъектирование скрепляющих растворов.

На практике же из-за технологической неувязки работ по упрочнению пород и проведению выработки рекомендуемый разрыв во времени не выдерживается и тампонаж часто начинают с отставанием в несколько месяцев. В сложных горно-геологических условиях такое отставание приводит к значительным деформациям возведенной крепи, которая к началу работ по упрочнению уже требует ремонта. К тому же чрезмерные смещения породного массива и его разрушение увеличивают объем работ по упрочению и сроки их выполнения..

Одной из причин большого отставания во времени тампонажных работ от проходческих является сложность размещения на участке в 60—100 м всей технологической цепочки проводимой выработки. Как показывает практика шахтного строительства, длина технологического отхода для капитальной горной выработки зависит от принятой скорости и способа проведения выработки, ее размеров, насыщенности оборудованием, существующей организации ведения проходческих работ. Кроме того, немаловажное значение оказывает принятая организация доставки и хранения в выработке материалов и оборудования.

Для обеспечения требуемого технологического разрыва во времени работы по упрочнению пород, выполняемые во вновь проводимой выработке, совмещаются с операциями проходческого цикла. Так, операции подготовительного этапа при упрочнении пород, включающие ручную чеканку швов и трещин в крепи, разделение выработки перемычками в закрепном пространстве на отдельные участки, устройство фундаментов и оборудование пробуренных скважин инъекторами, совмещаются практически со всеми операциями проходческого цикла и выполняются с отставанием от забоя на расстоянии 60—100 м. А выполнение таких операций, как механизированная чеканка швов способом набрызгбетонирования и бурение скважин, требующих подключения к оборудованию сжатого воздуха, воды и электроэнергии, ограничивает движение шахтного транспорта по выработке у места производства тампонажных работ. Ho наибольшие трудности по совмещению операций проходческого цикла с работами, по упрочнению представляет нагнетание скрепляющих растворов в массив и в закрепное пространство. Поскольку в этом случае нагнетательный шланг насоса находится под давлением, то в соответствии с правилами техники безопасности у места выполнения работ не должны находиться посторонние люди, а тем более осуществляться откатка подвижного состава. Это требование вызвано еще и тем. что согласно специфике тампонажных работ процесс нагнетания должен вестись непрерывно и насос останавливают только при обнаружении обильных течей нагнетаемого раствора в крепи выработки.

Из вышесказанного следует, что работы по нанесению набрызгбетонных покрытий и нагнетанию тампонажных растворов, должны вестись в то время, когда в забое выработки выполняются операции по возведению крепи, бурению шпуров, наращиванию трубопроводов, настилке пути, устройству водоотливной канавки, ремонту и профилактике проходческих машин и механизмов. Наиболее благоприятно организовывать работы по упрочнению пород в ремонтные смены, когда движение транспорта наименее интенсивно.

В тех случаях, когда невозможно избежать движения транспорта в выработке у мест ведения работ по упрочнению пород, устраиваются подвесные полки выше уровня подвижного состава, а тампонажное оборудование размещают так, чтобы был свободен рельсовый путь. При этом подводимые к оборудованию коммуникации тщательно укладываются, нагнетательный шланг насоса подвешивается к кровле выработки специальными кронштейнами. У мест тампонирования выставляются предупредительные знаки и работы ведутся в присутствии лиц технического надзора. Наряд на производство тампонажных работ должен ежесменно согласовываться со службами «Вентиляции и техники безопасности» и «Внутришахтного транспорта».

Эффективность и безопасность совмещения работ по упрочнению пород с операциями проходческого цикла также зависят от оптимального расположения тампонажного оборудования в выработке. Наиболее безопасно и менее сложно с технологической точки зрения размещать тампонажное оборудование в двухпутной выработке. При этом занимается только одна нить рельсового пути, а вторая остается свободной для выполнения откатки. В выработках шириной более 5 м оборудование располагают вне рельсового пути с соблюдением зазоров, достаточных для прохода людей и транспорта по условиям техники безопасности. Удобным местом для размещения насоса и смесителя могут быть расширенные участки выработок при устройстве разминовок и дополнительных съездов.

Сложность размещения тампонажного оборудования в однопутных выработках вызвана стесненностью условий и постоянной занятостью рельсового пути для выполнения откатки. В таких случаях для установки насоса и смесителя используют специально устраиваемые ниши и расширенные участки выработок. С целью сокращения занимаемого места в выработке песок и цемент хранят в специальных ящиках или контейнерах, располагаемых вне рельсового пути рядом со смесителем. Для размещения оборудования можно использовать сбойки между параллельными выработками, а также другие сопрягающиеся выработки и камеры.

Частота устройства сбоек, расширенных участков выработок и ниш зависит от возможной дальности подачи раствора насосом. При этом следует учесть, что тампонирование с одного места можно вести как по ходу проведения выработки, так и в обратном направлении. Вопрос размещения оборудования для производства упрочнения пород во вновь проводимых выработках должен рассматриваться и учитываться еще на стадии их проектирования.

Опыт тампонажных работ показывает, что расстояние между устраиваемыми сбойками, расширениями выработок и нишами для размещения в них тампонажного оборудования в зависимости от вязкости перекачиваемого раствора, применяемых типов насосов и смесителей составляет порядка 100—250 м. Наиболее сложно транспортировать на большие расстояния цементно-песчаные растворы, так как они склонны к быстрому оседанию частиц твердой фазы.

Дальность подачи может быть увеличена за счет придания раствору свойств пластичности и текучести. Это достигается введением в смесь пластифицирующих добавок, а также активационной обработкой приготавливаемого раствора в турбулентном смесителе. При этом транспортирование раствора желательно по ставу металлических труб постоянного диаметра с минимальным количеством соединений и колен.

В Западном Донбассе при проведении протяженных наклонных выработок сверху вниз оказалась рациональной следующая схема организации работ. Раствор приготавливался в двух растворомешалках, расположенных на верхнем панельном штреке. Приготовленный раствор подавался насосом или бетоноукладчиком по трубопроводу, проложенному по выработке, к месту ведения тампонажных работ в специальную емкость, из которой нагнетался другим насосом в закрепное пространство. По такой схеме организации работ резко сокращаются операции по доставке материалов к месту выполнения тампонажных работ, также отпадает необходимость в размещении растворосмесителя в призабойной части выработки.

При больших объемах работ по упрочнению пород, проводимых одновременно на нескольких участках в различных выработках, в перспективе представляется целесообразным организовывать централизованное приготовление тампонажного раствора в околоствольном дворе и доставлять его к месту производства работ в специальных вагонетках с побудительным устройством, обеспечивающим перемешивание смеси в процессе ее транспортирования. В качестве побудительного устройства может быть использован сжатый воздух или механические приспособления, приводимые в движение от колесных пар вагонетки. У места выполнения работ доставленный раствор подготавливается к процессу нагнетания, проходя активационную обработку в турбулентном смесителе.

При такой схеме организации работ значительно упрощается вопрос совмещения операций проходческого цикла с работами по упрочнению, а также размещения тампонажного оборудования в выработке.

Заслуживает внимания организация тампонажа закрепного пространства по технологии набрызгбетонирования «сухим» способом. В условиях Западного Донбасса в отдельных случаях необходимо выполнять тампопажные работы вслед за подвиганием забоя. Однако при существующей технологии выполнить тампонаж пустот закрепного пространства довольно сложно, чтобы не мешать работам проходческого цикла. Поэтому в таких условиях целесообразно вести заполнение закрепного пространства быстротвердеющей смесью, подаваемой набрызгмашиной. Опыт эксплуатации машин ПБМ-2 показал, что максимальная производительность составляет 6 м3/ч, а сухая смесь может подаваться к месту укладки на расстояние до 250 м. Сухая смесь транспортируется по металлическим трубам диаметром 100 мм, которые заканчиваются у забоя выработки гибким высоконапорным шлангом длиной 15—30 м. На конце шланга устанавливается сопло, направляемое в закрепное пространство. Вода затворения, подводимая к соплу, подается под давлением малогабаритным насосом. В качестве вяжущего для быстротвердеющих составов используется цемент или ангидрит. Смесь в закрепное пространство подается через окна, оставляемые в крепи выработки. По описанной технологии за 6-часовую смену возможно затампонировать 15—16 м выработки. Основным. преимуществом предложенной технологии является возможность избежать пикотажные работы по герметизации рамной крепи, так как применяются быстросхватывающиеся жесткие растворы. Кроме того, работы по приготовлению и нагнетанию смеси вынесены из забоя выработки на значительное расстояние, что позволяет не мешать операциям проходческого Цикла. Однако эффективность тампонажных работ, выполняемых по технологии набрызгбетонирования, будет достигаться в тех условиях, когда породный контур в закрепном пространстве выработки устойчив и не происходит вывалов пород кровли.

Особенности возведения породобетонных крепей, связанные с ведением инъекционных работ, требуют специального рассмотрения вопросов техники безопасности.

До начала тампонажных работ все рабочие должны пройти техминимум по безопасному ведению этих работ и обслуживанию используемых машин и механизмов, а также ознакомиться с основными положениями проекта производства работ. Рабочие и инженерно-технические работники, занятые на тампонажных работах, пользуются индивидуальными средствами защити (каской, спецодеждой, обувью, рукавицами, очками и респираторами).

На рабочих местах вывешиваются схемы управления механизмами с указанием очередности, их пуска и остановки, а также предупредительные знаки, плакаты и производственные инструкции по технике безопасности. Место работы должно быть освещено и свободно от посторонних предметов, материалов. На период производства тампонажных работ необходимо иметь постоянную телефонную связь с забоем выработки.

Все рабочие места и открытые движущиеся части машин и механизмов оборудуются ограждениями, защитными и предохранительными устройствами, обеспечивающими безопасность работ. Металлические части машин и механизмов с электроприводом необходимо заземлить. Работы, связанные с нагнетанием растворов, должны вестись в присутствии горного мастера или лиц, имеющих удостоверение на право ответственного ведения этих работ. Запуск тампонажного оборудования можно производить только по сигналу, известному всему обслуживающему персоналу.

До начала тампонажных работ должна быть проведена тщательная проверка нагнетательного и смесительного оборудования. Проверяются исправность каналов и клапанов насоса, наличие масла в разделителе манометра, смазка движущихся частей насоса, затяжка сальников. Растворосмеситель очищается от затвердевшего раствора, а его перемешивающий орган должен легко проворачиваться вручную. Применяемое нагнетательное оборудование и коммуникации должны быть испытаны на давление, превышающее в 1,5 раза максимальное. Предохранительный клапан насоса регулируется на расчетное давление.

Инъекторы, устанавливаемые в пробуренных скважинах, следует закреплять с помощью резиновых уплотнительных манжет, цементного раствора или другими способами так, чтобы они выдерживали давление нагнетания.

К инъекционным работам можно приступать после проверки лицом надзора состояния оборудования, правильности установки запорной арматуры и измерительных приборов.

При нагнетании тампонажного раствора запрещается; производить быстрое перекрывание кранов па коммуникациях раствора (краны должны перекрываться плавно); пользоваться неисправными манометрами и шлангами, имеющими вздутие; разбирать и ремонтировать цементационную систему под давлением; включать насос при закрытых вентилях нагнетательной системы; продавливать с помощью насоса пробки, образовавшиеся в трубопроводах; включать насос после длительных остановок без предварительной проверки трубопроводов; соединять концы нагнетательного шланга с насосом, кондуктором и между собой, используя штыри, проволоку и скобы (соединения должны выполняться с помощью стандартных устройств или стяжных хомутов); смазывать механизмы, чистить их или ремонтировать.

При ремонтных работах внутри растворосмесителя и насоса их приводные ремни следует снимать.

По окончании работ по нагнетанию раствора все оборудование и коммуникации тщательно промываются и осматриваются.

Важной проблемой эффективного применения крепей, использующих несущую способность заинъектированного массива, является вопрос надежности породобетонной конструкции, выполняющей основные несущие функции и обеспечивающей устойчивость выработки на протяжении всего срока службы. Если традиционные крепи позволяют визуально оценить их состояние и на основании этого своевременно принять соответствующие меры по ремонту и усилению, то инъекционное упрочнение пород носит скрытый характер, качество его контролировать трудно, а визуально оценить состояние породобетонной оболочки не представляется возможным. Это обстоятельство налагает особые требования к качеству выполнения работ по упрочнению и контролю за надежным состоянием выработки.

Контроль качества работ по тампонажу закрепного пространства и инъекционному упрочнению пород включает соблюдение геомеханических и технологических параметров выполняемых процессов, а также определение степени заполнения тампонажными растворами пустот закрепного пространства п трещин вмещающего выработку массива.

Геомеханические и технологические параметры инъекционного упрочнения пород регламентируются проектом крепления выработки и производства работ. При правильном их соблюдении обеспечивается надежность и долговечность возводимой крепи в течение всего срока ее эксплуатации.

Если процесс инъектирования протекал нормально и массив насыщался раствором, т. е. не происходило его изливание из соседних скважин и трещин в крепи, а к концу нагнетания при заданном давлении расход смеси снижался, то сечение инъектора должно быть заполнено тампонажным материалом.

Учитывая скрытый характер работ по упрочнению и контролю качества заполнения массива инъектируемым раствором, необходимо тщательно составлять документацию по всем операциям с учетом расхода тампонажного материала. Для этого и участке ведется журнал тампонажных работ, в котором должны быть отражены следующие сведения: наименование организации, выполняющей работы: объект строительства; наименование выработки; основные технические характеристики бурового и тампонажного оборудования; схемы расположения и нумерация скважин при тампонаже закрепного пространства и глубинном упрочнении пород (в поперечном сечении и на развертке по периметру выработки); данные о свойствах материалов и растворов.

Документация процесса тампонирования пустот закрепного пространства выполняется по форме 1, процесса упрочнения вмещающих пород — по форме 2. Журнал тампонажных работ — отчетный технический документ, который ведется ответственным лицом и предъявляется заказчику при приемке работ.

Контроль за качеством упрочнения пород можно выполнить после инъекции скрепляющего раствора по выбуренным кернам упрочненной породы и гидравлического опрессования контрольных скважин водой. По выбуренным кернам определяются плотность заполнения трещин и прочностные характеристики упрочненных пород. При гидравлическом опробовании контрольных скважин о качестве инъекции судят по величине удельного водопоглощения. Так, в практике гидротехнического туннелестроения заполнительная цементация считается удовлетворительной, если в течение 5 мин каждая из контрольных скважин не поглощает более 0,01м3 цементного раствора с водоцементным отношением 2:1 при давлении, регламентированном проектом.

В зависимости от горно-геологических условий число контрольных скважин принимается не менее 10% общего числа затампонированных скважин. При неудовлетворительных результатах опробования производится дополнительная цементация через контрольные скважины.

В практике упрочнения пород в горных выработках применяется способ контроля качества заполнения трещин, заключающийся в бурении трех контрольных шпуров на затампонированном участке. Шпуры бурят на расстоянии 1 м друг от друга длиной, равной глубине упрочнения. Затем в один из них нагнетают раствор той же консистенции и при таком же давлении нагнетания, что и при производстве инъекционных работ. Качество работ считается удовлетворительным, если из соседних контрольных шпуров не будет вытекать раствор. Такой способ позволяет оценить плотность заполнения трещин только на участке, прилегающем непосредственно к контрольным скважинам. Поэтому для более детальной оценки состояния массива число контрольных скважин принимается равным 3—5% общего числа инъекционных скважин в протяженных выработках, а на участках ограниченной длины (10—15 м) не менее трех скважин.

Применяется контрольное перебуривание упрочненной зоны с последующим осмотром стенок шпура смотровым прибором типа РВП. Контрольный шпур, пробуренный по всей глубине упрочненной зоны, располагают между двумя соседними инъекторами, через которые производилось нагнетание раствора. Этот способ также позволяет оценить эффект упрочнения только на небольшом участке выработки.

Для контроля плотности заполнения массива нагнетаемым раствором используются акустический, радиационный, электрометрический методы, но они не обеспечивают необходимое качество контроля, а для их реализации нужно применять весьма сложные приборы. Эти методы не вышли за рамки экспериментов.

Опыт работ по упрочнению показал, что для приближенной оценки качества работ могут применяться отдельные визуальные методы. Так, при тампонаже закрепного пространства в выработках с металлическими арками и железобетонной затяжкой плотность заполнения раствором можно определить, простукивая поверхность крепи.

В МакИСИ разработан метод оперативного контроля состояния приконтурного массива, основанный на измерении его трещиноватости с помощью радиоволнового прибора КИТ. Поскольку в процессе нагнетания скрепляющих растворов изменяется первоначальная трещиноватость массива, то указанный метод позволяет контролировать качество выполненных работ по степени снижения исходной трещиноватости.

В приборе используется принцип высокочастотного генератора, измеряющего неоднородности горных пород. Блок-схема прибора, состоящего из зонда 1 и регистрирующего блока 10, показана на рис. 3.56. Датчик трещин, выполненный в виде выносного зонда 1, состоит из задающего автогенератора 2, стабилизированного по частоте кварцем, эмиттерного повторителя 3. излучающего 4 и приемного 5 контуров, детектора в, выход которого подключен гибким четырехжильным кабелем на вход интегрального аналого-цифрового преобразователя 7, со светодиодным индикатором 8. Две жилы кабеля предназначен для подвода питания к зонду от блока питания 9, две — для передачи сигналов с выхода детектора 6 на вход аналого-цифрового преобразователя 7.

Принципиальная схема датчика показана на рис. 3.57.

Излучающая катушка расположена коаксиально внутри приемной на ферритовом сердечнике. Включение излучающей катушки в колебательный контур, настроенный в резонанс с источником колебаний, позволяет значительно повысить коэффициент полезного действия излучения. Эти особенности дают возможность резко уменьшить излучаемую мощность датчика и соответственно потребляемую им энергию.

При изменении диэлектрической проницаемости среды, окружающей датчик, происходит расстройка контура и пропорционально изменяются показания прибора на цифровом табло. Схематичное и конструктивное исполнение датчика трещин позволяют определять трещины, находящиеся друг от друга на расстоянии не менее 3*10в-2 м с раскрытием до 1*10в-5 м. Если расстояние между трещинами в породе меньше 3*10в-2 м, то уровень сигнала прибора пропорционален общей пустотности. Конструктивно радиоволновой прибор (рис. 3.58) изготовлен в виде двух функциональных частей: выносного зонда, содержащего датчик трещин, и регистрирующего блока в отдельном корпусе; кроме того, прибор комплектуется набором досылочных штанг. В качестве регистрирующего блока использован серийно выпускаемый сигнализатор метана с цифровой индикацией «Сигнал -2», с сохранением функции газоанализатора, что позволяет параллельно проводить контроль за содержанием метана в шахтной атмосфере. Прибор соответствует требованиям, предъявляемым государственными стандартами к рудничной и контрольно-измерительной аппаратуре.

Измерение трещиноватости массива осуществляется из шпура диаметром 42 мм, пробуренного из выработки в законтурный массив. Зонд передвигается по шпуру с помощью мерной досылочной штанги. По диаграмме изменения сигнала прибора по длине шпура, считываемого с цифрового индикатора и шкалы мерной досылочной штанги, определяются характерные зоны трещиноватости, местоположение и величина раскрытия трещин.

Прибор радиоволнового контроля КИТ прошел апробацию в широком диапазоне горно-геологических условий шахт им. газеты «Социалистический Донбасс», им. Калинина, «Южно-Донбасская» № 3 ПО «Донецкуголь», им. Стаханова ПО «Красноармейскуголь», оказался простым и надежным в работе и может быть рекомендован для оперативного контроля за трещиноватостью массива (исходная информация для назначения параметров упрочнения) и качеством выполнения инъекционных работ.





Яндекс.Метрика