05.01.2021

Ремонт и перекрепление выработок с применением инъекционного упрочнения пород


Несмотря на постоянное совершенствование конструкций крепей и технологии их возведения, протяженность ежегодно ремонтируемых выработок не снижается. Еще при сооружении шахт затраты на перекрепление и ремонт выработок составляют 3—5% стоимости строительства.

В 1984 г. только на шахтах Минуглепромя России было отремонтировано 1289,6 км выработок, что составляет 9,1% всех поддерживаемых и 64,6% вновь проходимых выработок. При этом ремонтировались не только участковые выработки, испытывающие влияние очистных работ, но и капитальные. В течение 1984 г. было отремонтировано 4% выработок околоствольных дворов, что составляет 59% нового прохождения выработок этого типа.

По данным работы, в Донбассе затраты на поддержание выработок в рабочем состоянии за последние 15 лет возросли в 2,4 раза, а трудоемкость работ — в 2,5 раза.

Из 2000 км выработок, поддерживаемых на шахтах ПО «Донецкуголь», в неудовлетворительном состоянии находится 238 км (11,7%).

Приведенные данные свидетельствуют о том, что перекрепление выработок в ближайшие годы останется одним из необходимых участков производственной деятельности угольных шахт.

Перекрепление выработок, выполняемое по обычной технологии; как правило, сопровождается неконтролируемым выпуском разрушенных пород приконтурной зоны. При этом объем выпускаемой породы зачастую превышает величину, необходимую для получения проектного сечения выработки, и вокруг вновь возводимой крепи образуются большие пустоты, которые нужно забучивать или тампонировать.

Поэтому стоимость перекрепления горных выработок такая же, а иногда и выше стоимости их сооружения. На шахте «Южно-Донбасская» № 3 с 1983 по 1986 г. стоимость перекрепления 1 м откаточного штрека гор. 624 м составила 1319,2 руб., а средняя стоимость 1 м перекрепления этого же горизонта 781 руб. По данным Днепрогипрошахта, средняя стоимость ремонта 1 м выработок на шахте им. «Героев космоса» составила 400—450 руб.

Общим недостатком традиционных способов перекрепления выработок является высокий уровень травматизма, по данным Госгортехнадзора России, по Донецкому округу за 1986 г. уровень травмированных на работах, связанных с перекреплением горных выработок и разбором завалов, составил 30—35% общего числа несчастных случаев на подземных работах.

Проведенный анализ свидетельствует, что традиционные способы перекрепления выработок трудоемки, не технологичны, не отвечают требованиям безопасности ведения работ и не обеспечивают в последующем устойчивого состояния выработок. В этой связи весьма перспективным представляется направление по разработке новых способов перекрепления, основанных на управлении системой «крепь — массив» с помощью инъекционного упрочнения.

Инъекционное упрочнение пород является эффективным средством повышения устойчивости эксплуатирующихся выработок, крепь которых деформируется в связи с продолжающимися или возобновившимися по тем или иным причинам смещениями массива (например, в связи с подходом очистных работ. При этом могут быть два случая: первый — когда выработка по габаритам еще удовлетворяет требованиям правил безопасности, инъекционное упрочнение применяется для прекращения сдвижения массива и деформаций крепи; второй — когда выработка по габаритам уже не удовлетворяет требованиям нормальной эксплуатации и ее необходимо перекреплять. В последнем случае инъекционное упрочнение позволяет сделать технологию перекрепления более эффективной и безопасной.

Опыт упрочнения пород свидетельствует, что своевременное его выполнение в выработках с деформирующейся крепью позволяет избежать их последующего перекрепления и оказывается по сравнению с последним экономически более выгодным. В табл. 3.34 приведена стоимость работ по упрочнению пород и перекреплению для двухпутевой выработки площадью сечения в свету 13,2 м2, закрепленной, металлической арочной крепью (две рамы на 1 м выработки) с железобетонной затяжкой.

Как видно из табл. 3.34, упрочнение пород экономически более выгодное мероприятие по сравнению с полным перекреплением: стоимость 1 м выработки по прямым расходам меньше на 90,2 руб., трудоемкость — на 1,93 чел.-смену.

Рассмотрим опыт применения инъекционного упрочнения вмещающих пород для повышения устойчивости эксплуатирующихся выработок на шахтах Донбасса.

Шахта им. Скочинского. Работы по упрочнению проводились в комплексе выработок верхней приемной площадки восточной панели гор. 1028 м (рис. 3.65).

Породный массив, в котором расположены тампонируемые выработки, в основном был представлен относительно слабыми песчанистыми и песчано-глинистыми сланцами. Выработки верхней приемной площадки с начала 1976 г. постоянно испытывали влияние опорного давления от подвигающихся очистных забоев восточной панели, что вызвало интенсивные незатухающие смещения породного массива и привело к разрушению крепи камер и выработок. Так, в камерах подъемных машин людского ходка и конвейерного бремсберга произошли значительные разрушения крепи и фундаментов под оборудование, что привело к полной эксплуатационной непригодности этих выработок. На отдельных участках выработок конвергенция пород почвы и кровли в течение года составила около 1 м.
Ремонт и перекрепление выработок с применением инъекционного упрочнения пород

В выработках, где своевременно было проведено упрочнение пород, удалось приостановить смещения горного массива и предотвратить крепь от разрушения. Тампонажные работы вначале были выполнены в вентиляционном ходке и камере подъемной машины БМ-2500, а затем продолжены на участке вспомогательного бремсберга. Работы по упрочнению выполнялись бригадой, состоящей из 24 проходчиков, и велись в 2—3 смены. При этом часть рабочих постоянно была занята на работах по перекреплению и подрывке почвы.

Перед тампонажем заделывали трещины в монолитной крепи и швы между железобетонными затяжками в рампой крепи жирным цементным раствором. Крупные трещины и поврежденные затяжки перед чеканкой заделывали ветошью и кусками породы. В это же время через крепь по периметру выработки бурили шпуры и устанавливали кондукторы. Последние расклинивали в шпуре «костылем» и герметизировали в устье скважины жирным цементным раствором.

После окончания подготовительных работ приступали к упрочнению пород, которое выполняли в два этапа. Вначале выполняли тампонаж закрепного пространства цементно-песчаным раствором состава 1:3:2 (Ц:П:В), а затем упрочнение вмещающих пород цементным раствором.

Для инъекции в массив приготавливали раствор с водоцементным отношением от 2:1 в начале нагнетания до 1:1 в конце. В качестве компонентов использовали портландцемент марки 400 и мелкозернистый песок. Тампонажный раствор приготавливали в смесителе, выполненном на. базе вагонетки вместимостью 1 м3. Раствор перемешивался сжатым воздухом, подаваемым на дно вагонетки через перфорированную трубу. При загрузке в смеситель сухие компоненты раствора тщательно просеивались через сито.

Для нагнетания раствора применялся поршневой насос НГР-250/50, в котором тарельчатые клапаны были заменены шариковыми, что значительно увеличивало срок безремонтной работы насосов. Давление нагнетания цементно-песчаного раствора при тампонаже закрепного пространства не превышало 0,2 МПа, а цементного раствора при упрочнении вмещающих пород — 0,7—1 МПа.

Опыт работ показал, что в выработках, закрепленных рамной крепью с деформированной железобетонной затяжкой, ручная чеканка швов неэффективна, так как при нагнетании раствора часто образуются обильные течи. Применение набрызгмашины типа БМ-68 позволило качественно улучшить герметизацию поверхности крепи и значительно сократить время и трудозатраты подготовительных работ.

Определенный интерес представляют работы по упрочнению пород, проведенные в камере электроподстанции холодильных машин. До начала тампонажа сильно деформированная крепь камеры была перекреплена на большее сечение крепью типа АП-11,2. Расширение камеры выполняли отбойными молотками, что позволило создать гладкий породный контур выработки. В результате вновь возводимая арочная крепь с сетчатой затяжкой плотно прилегала к породному контуру. После этого на поверхность сетчатой затяжки наносился слой набрызгбетона толщиной 5—7 см. Полученная монолитная металле бетонная крепь имела плотный контакт с породным массивом. Это позволило сразу приступить к глубинному нагнетанию раствора, не выполняя первый этап упрочнения — тампонаж закрепного пространства. Тампонаж вмещающих пород вначале выполняли цементно-песчаным раствором состава 1:1:1 (Ц:П:В), затем водоцементиое отношение постепенно повышалось до 2 :1, а количество песка уменьшалось.

Опыт работ по упрочнению в камере электроподстанции показал, что в перекрепляющихся выработках при механизированной герметизации поверхности крепи набрызгмашиной вместо железобетонной затяжки целесообразно применять сетчатую.

Для оценки эффективности упрочнения во вспомогательном бремсберге на упрочненном и обычном участках были установлены контурные реперные станции. Как показали результаты инструментальных наблюдений, смещения пород на обычном участке продолжались с незатухающей интенсивностью, в то время как на упрочненном участке уменьшились в 4 раза. За период наблюдений (380 сут) величина конвергенции пород кровли и почвы на упрочненном участке составила 232 мм, причем основная доля смещений происходила со стороны почвы выработки.

Следует отметить, что другие выработки и камеры верхней приемной площадки неоднократно перекреплялись, в то время как затампонированные участки остаются в состоянии, пригодном для эксплуатации в течение уже нескольких лет.

Опыт работ по упрочнению пород на шахте им. Скочинского позволяет сделать следующие выводы:

- в данной горнотехнической обстановке полный эффект мог быть получен только после тампонажа вмещающих пород всего комплекса выработок приемной площадки. При упрочнении же пород на локальных участках создаются отдельные жесткие опоры, которые воспринимают большие давления от всего деформирующегося массива, в то время как податливая крепь па соседних незатампонированных участках в работе не участвует;

- способ повышения устойчивости упрочнением вмещающих пород эффективен и для выработок, попадающих в зону влияния очистных работ.

Шахта им. Челюскинцев. Воздухоподающий ствол шахты диаметром 6 м и глубиной 887 м пройден в 1975 г. и закреплен монолитным бетоном толщиной 400 мм. а на сопряжениях — железобетоном толщиной 500 мм. Примыкающие выработки околоствольного двора закреплены металлобетоном. Сопряжение ствола с выработками гор. 882 м заложено в массиве, представленном в основном алевролитами и аргиллитами с f = 4-5. Ствол пересекает рабочие пласты m3 и m2, l4 и k8 мощностью 0,65—1,6 м соответственно на глубине 619, 635, 787 и 863 м. Горно-геологические условия в месте сопряжения осложняю нарушением сбросового типа с амплитудой до 1 м, которой расстоянии 10—15 м от плоскости смесителя сопровождается системой мелких трещин.

В конце 1977 г. впервые были отмечены нарушения крепи на отдельных участках ствола и его сопряжения с выработками околоствольного двора гор. 882 м. В дальнейшем деформирование указанных участков продолжалось, проявляясь в виде растрескивания и отслоения бетонных коржей, изгибов двутавровых балок и металлических рам. В железобетонной крепи ствола выше сопряжения отмечались заколы, вывалы, отслоения и развитие косых трещин. В нижней части ствола наблюдалось деформирование армировки.

Одной из главных причин создавшегося положения явилось оконтуривание околоствольных целиков очистными работами на пластах l4 и k8, в результате чего было нарушено равновесное состояние массива.

Было принято решение выполнить упрочнение вмещающих пород на нарушенных участках сопряжения и примыкающей части ствола без остановки его работы, а затем приступить к ремонту и восстановлению деформированной крепи. На 25-метровом участке сопряжения околоствольного двора гор. 882 м проведено упрочнение вмещающих пород цементным раствором на глубину 2 м. Перед тампонажем заделывали трещины в монолитной крепи. В это же время через крепь по периметру выработки бурили шпуры и устанавливали кондукторы, которые представляли собой отрезки труб диаметром 50 мм с резьбой для подсоединения пробкового крана и нагнетательного шланга. Для нагнетания использовали вначале раствор с водоцементным отношением 2:1, а в конце — 1:1. В качестве вяжущего применяли портландцемент марки 400. Тампонажный раствор приготавливали в смесителе вместимостью 1 м3, выполненном на базе вагонетки с глухим дном. Раствор перемешивался сжатым воздухом, подаваемым на дно вагонетки через перфорированную трубку. Для нагнетания раствора под давлением не выше 0,1—1 МПа применяли поршневой насос НГР-250/50, в котором тарельчатые клапаны заменяли шариковыми.

Вначале раствор нагнетали через нижний кондуктор до тех пор, пока он не начинал вытекать из вышерасположенной скважины. Затем кондуктор закрывали пробковым краном и нагнетание вели через верхнюю скважину. При появлении обильной течи раствора из ранее незафиксированных трещин упрочнение вмещающих пород приостанавливали и выполняли дополнительную (повторную) заделку трещин:

Тампонажные работы выполняли в одну смену (4—5 ч) бригадой из 8 человек. При этом закачивалось в среднем 2—3 м3 тампонажного раствора. Повышение устойчивости сопряжения ствола позволило приостановить интенсивные смещения пород.

По окончании тампонажа вмещающих пород были начаты работы по ремонту крепи ствола и сопряжения. Ремонтно-восстановительные работы в стволе в зависимости от нарушенности крепи включали следующие операции: удаление нарушенного бетона, установку стальной арматуры и бетонирование, усиление анкерами и установку стальной сетки.

Как показали инструментальные наблюдения на контурных реперных станциях, в результате повторного упрочнения полностью прекратились смещения вмещающих пород и деформации крепи (рис. 3.66). Принятая организация работ по упрочнению пород и ремонту крепи позволила, не останавливая ствол, восстановить его с незначительными материальными затратами.

В том случае, если сечение выработки не отвечает требованиям эксплуатации и ее необходимо перекрепить, то с целью повышения безопасности работ и во избежание неконтролируемого выпуска породы целесообразно предварительно выполнить инъекционное упрочнение приконтурного массива.

На практике получил распространение способ перекрепления с использованием обычной технологии инъекционного упрочнения: вначале выполняется комплекс изоляционных работ (замена поломанных затяжек в рамной крепи, чеканка швов, трещин и стыков в крепи или покрытие стенок выработки слоем набрызгбетона), а затем нагнетание цементно-песчаного раствора в приконтурyый массив с целью омоноличивания разрушенных пород и предотвращения их обрушения при снятии крепи.

Наряду с отмеченными выше достоинствами такой способ перекрепления имеет ряд недостатков: требует выполнения трудоемких изоляционных работ, повышенного расхода тампонажного раствора (связанного с необходимостью заполнения пустот закрепного пространства), применения для разработки породы при расширении выработки отбойных молотков или буровзрывных работ.

При перекреплении, сопровождающемся расширением выработки и выпуском больших объемов разрушенных пород, более рациональной является технология, показанная на рис. 3.67. Сущность способа заключается в создании вокруг выработки оболочки из упрочненных пород толщиной 1—1,5 м, внутренним контуром которой является проектный контур перекрепляемой выработки. Под защитой этой оболочки выпускается разрушенная порода, заключенная между проектным и существующим контурами, и заменяется деформированная крепь на новую. Последовательность выполнения работ ясна из рис. 3.67. В пробуренные по периметру перекрепляемой выработки скважины устанавливаются инъекторы 5, через которые нагнетается раствор с регулируемыми сроками схватывания. Для создания оболочки упрочненных пород 2 на требуемом расстоянии от контура в конструкции инъектора предусмотрено распорноизолирующее устройство 4, которое фиксируется в скважине на уровне проектного контура выработки 3. Под защитой оболочки из заинъектированных пород крепь снимают и разрушенную и незатампонированную породу 1 выпускают. После расширения выработки до проектного сечения устанавливается новая крепь, параметры которой следует принимать с учетом несущей способности упрочненных пород.

Для осуществления описанного выше способа перекрепления применяется конструкция извлекаемого инъектора (рис. 3.68), позволяющая выполнять инъектирование пород на любом участке по длине скважины. В собранном виде инъектор подается в скважину. При этом прижимной фланец должен быть на уровне проектного контура выработки. Затем натяжной гайкой через прижимной патрубок и прижимной фланец производится сжатие уплотнительных колец, которые увеличиваются в диаметре и изолируют выработку от вытекания инъекционного раствора. После окончания процесса нагнетания натяжная гайка отвинчивается и инъектор извлекается из скважины для повторного использования.

По сравнению с перекреплением, использующим обычную технологию упрочнения, данный способ имеет ряд преимуществ: отпадает необходимость в выполнении изоляционных работ, снижается расход инъекционного раствора, уменьшаются затраты на извлечение крепи и выпуск породы.





Яндекс.Метрика