Обоснование требований к инъекционным раствором

Эффективность крепей и способов обеспечения устойчивости выработок, основанных на инъекционном упрочнении пород, в первую очередь зависит от эффективности применяемых для этих целей растворов. Рассматривая различные аспекты инъекционного упрочнения как важного звена в технологическом процессе сооружения выработки весь комплекс требований к инъекционным растворам можно сгруппировать по четырем направлениям: геомеханические, технологические, экономические и санитарно-гигиенические.

Требования с позиций геомеханики вытекают из условия создания породобетонной оболочки с такими параметрами (геометрическими, прочностными, деформационными), которые бы обеспечили устойчивость выработки. Определим эти требования, проанализировав результаты выполненных исследований в области геомеханики инъекционного упрочнения.

Анализ зависимости (3.31), связывающей геомеханические параметры взаимодействия системы «породобетонная оболочка — массив», позволяет сформулировать следующие качественные требования к механическим характеристикам породобетонной оболочки: уменьшение модуля упругости заинъектированных пород и увеличение ползучести тампонажного камня (но сравнению с аналогичными характеристиками горного массива) снижают требования к несущей способности оболочки и прочности заинъектированных пород. Следовательно, при разработке новых растворов для упрочнения следует ориентироваться на такие материалы и композиции, которые при твердении образуют низкомодульный тампонажный камень с большей степенью ползучести, чем породный массив.

При определении требований к количественным показателям механических характеристик инъекционных растворов необходимо учесть следующее:

- требования к механическим характеристикам растворов вытекают из характеристик упрочненного массива, а в настоящее время не существует достаточно корректной методики перехода от характеристик тампонажного камня к характеристикам массива;

- показатели механических характеристик упрочненных пород являются одним из прогнозируемых параметров способа обеспечения устойчивости выработок с помощью инъекционного упрочнения, поэтому можно говорить только о диапазоне их изменения для реальной области эффективного применения этого способа;

- поскольку заинъектированный приконтурный массив представляет собой породобетонную оболочку, работающую в режиме взаимовлияющей деформации, то предельная несущая способность такой конструкции будет зависеть от соотношения прочностных и деформационных свойств упрочненных пород. В этом случае требования к диапазону изменения механических характеристик упрочненных пород будут сводиться к требованиям к диапазону изменения безразмерного критерия (соотношения предела прочности на сжатие и модуля упругости упрочненных пород).

Исходя из вышесказанного и используя аналитико-экспериментальную методику расчета геомеханических параметров крепей, основанных на инъекционном упрочнении пород, можно определить примерный диапазон требований к прочностным характеристикам последних. Для реальных условий Донбасса (глубина изменялась в пределах 500—1200 м, прочность пород 30—80 МПа) с помощью зависимости (3.31) получен диапазон требований к безразмерному критерию Ky/Eу, который составил (4-30)*10в-4. Полагая в первом приближении, что заинъектированные породы имеют тот же модуль упругости, что и нетронутый массив (2*10в4 МПа), получим диапазон изменения их прочности 8—60 МПа.

Чтобы перейти к прочностным характеристикам тампонажного камня, будем считать, что прочность заинъектированного массива определяется сцеплением по затампонированной трещине (теория Кулона — Мора). В этом случае требуемый коэффициент сцепления тампонажного камня Cу определится по формуле

где Rу — прочность заинъектированных пород; р — угол внутреннего трения по затампонированной трещине.

На рис. 4.1. построен диапазон требуемого сцепления тампонажного камня.

Ввиду специфики подземных условий инъекционные растворы должны давать тампонажный камень, твердеющий и набирающий прочность в любом диапазоне влажности вмещающих пород, стойкий к агрессивным шахтным водам. Кроме того, усадка тампонажного камня при твердении должна быть минимальной.

Технологические требования к инъекционным растворам вытекают из анализа всех технологических операций и процессов, обеспечивающих создание оболочки заинъектированных пород с требуемыми геомеханическими параметрами. Исходя из такого анализа инъекционные растворы должны обладать:

- подвижностью, достаточной для обеспечения перекачивания: их существующими типами насосов;

- проникающей способностью и седиментационной устойчивостью, которые обеспечивали бы достаточный радиус распространения раствора;

- простотой дозировки исходных компонентов, приготовления и нагнетания;

- возможностью транспортировки и хранения исходных компонентов в условиях шахт.

Рассмотрим подробнее приведенные выше требования применительно к инъекционным растворам типа неорганических суспензий.

Анализ данных, показал, что в процессе приготовления суспензий удельный вес должен соответствовать растекаемости 18—24 см по конусу АзНИИ. В этом случае после выдержки, связанной с остановкой нагнетания, структуру раствора удастся разбить насосом без дополнительных устройств. При больших значениях удельного веса суспензий (меньших значениях растекаемости) происходит образование пробок в насосном оборудовании и напорной магистрали.

Проникающая способность определяется соотношением размеров трещины и твердых частиц суспензии, а также вязкостью раствора и его седиментациопной устойчивостью. Для того чтобы частицы суспензии могли свободно проходить по трещине, их размер не должен превышать третью часть от ширины ее раскрытия. С учетом того, что тампонаж считается качественным, если обеспечивается заполнение трещин с раскрытием 0,1 мм, размер твердых частиц суспензии не должен превышать 3*10в-2 мм.

Согласно работам МГИ, параметры нагнетания раствора определяются формулами:

- максимальное время нагнетания

- динамическая вязкость раствора

где р — давление нагнетания, Па; lp — длина рабочей части скважины, м; q — расход раствора, м3/с; Мт — коэффициент пустотности; b — средняя величина раскрытия трещин, м; Rр — радиус распространения упрочняющего раствора, м; r — радиус инъекционной скважины; в — коэффициент заполнения трещин.

Используя выражения (4.2) и (4.3), оценим требуемый диапазон изменения динамической вязкости в зависимости от радиуса распространения раствора при средних значениях остальных исходных параметров (b=0,1-10 мм, lp = 1,5 м, tн.max= 600 с, Мт = 9*10в-3-9*10в-5, в = 0,75, р = 6 МПа, r = 0,042* м, q = 0,0001 м3/с).

На рис. 4.2 графически представлены результаты проведенного анализа, показывающие, что динамическая вязкость инъекционных растворов должна изменяться от 0,04 до 0,29 Па*с.

Для уменьшения вязкости суспензий обычно прибегают к увеличению количества жидкости в растворе, однако надо иметь в виду, что при этом существенно снижаются прочностные свойства тампонажного камня. Так, по данным работы увеличение водоцементного отношения В:Ц от 0,35 до 0,85 приводит к снижению прочности цементного камня на изгиб в 10 раз. Кроме того, такой путь повышения проникающей способности раствора нежелателен и по другим причинам. Избыточная вода, не вступившая в реакцию с твердыми компонентами вяжущего, отфильтровывается в окружающий массив, испаряется. При этом снижается выход тампонажного камня, снижается прочность пород, содержащих глинистые частицы.

Повышенное содержание воды ведет к расслоению растворов, содержащих наполнители (такое явление часто наблюдается при тампонаже закрепного пространства цементно-песчаными растворами), способствует развитию в них седиментационных процессов. Применение для повышения седиментационной устойчивости растворов различных добавок усложняет процесс приготовления растворов и увеличивает их стоимость.

Кроме того, использование для этих целей таких поверхностно-активных веществ, как сульфитно-спиртовая барда (ССБ), сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ), приводит к замедлению сроков схватывания и отрицательно сказывается на прочности образующегося камня.

В связи с тем что в процессе эксплуатации скрепляющие растворы подвержены действию агрессивных шахтных вод, при их разработке следует учитывать возможное влияние среды на тампоyажный камень. Например, воды Донбасса в большинстве случаев обладают сульфатной агрессией, реже — выщелачивающей, углекислой и магнезиальной.

Поэтому тампонажный камень должен обладать стойкостью к растворимости его отдельных компонентов, воздействию обменных реакций между составными частями камня и солями окружающей среды, разрушению кристаллами солей, накапливающихся в порах и капиллярах.

При приготовлении растворов порядок введения составляющих компонентов не должен оказывать существенного влияния на свойства растворов, т. е. порядок затворения должен выбираться исходя из технологических факторов и требований санитарно-гигиенических норм.

Растворы должны иметь по возможности минимальное количество исходных компонентов, а незначительное отклонение от оптимальной рецептуры (связанное со спецификой подземных условий приготовления) не должно сказываться на механических и технологических свойствах раствора. Компоненты или их смеси при транспортировании и хранении в условиях шахтной атмосферы не должны терять своих свойств.

Экономические требования сводятся к тому, что инъекционные растворы должны иметь низкую стоимость, трудоемкость их приготовления и нагнетания должна быть небольшой, должны использоваться недефицитные материалы.

В соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями инъекционные растворы должны:

- не оказывать агрессивного воздействия на окружающую среду выделением летучих веществ, аэрозолей, превышающих предельно допустимые концентрации;

- не ухудшать температурно-влажностные параметры шахтной атмосферы;

- обладать стойкостью к биологическому и термическому разложению в условиях хранения, транспортирования, приготовления, нагнетания и после отверждения в массиве горных пород;

- не требовать специальных средств защиты органов дыхания, зрения, кожного покрова рабочего при транспортировании, приготовлении и нагнетании.

Применяемые в настоящее время неорганические вяжущие по своему химическому составу содержат в основном оксиды MgO, CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 и т. д., содержание которых в воздухе подлежит контролю.

Ниже приведены предельно допустимые концентрации (мг/м3) химических, веществ в воздухе, согласно исследованиям, выполненным в Донецком научно-исследовательском институт гигиены труда и профзаболеваний.

Одной из эффективных мер снижения уровня загрязнения шахтной атмосферы при применении инъекционного упрочнения пород является изменение существующей технологии транспортирования, загрузки и смешивания исходных компонентов путем применения специальных транспортных (пневмотранспорт по трубам, вагонетки-бункера и т. д.) и загрузочных устройств или приготовление готовой смеси на поверхности.

Оценивая с позиций приведенных выше требований традиционные цементные, цементно-песчаные и химические растворы, получившие наиболее широкое применение на практике, следует отметить, что все они обладают рядом недостатков. Так, в растворах на базе цементов, как правило, используется дефицитный и дорогостоящий портландцемент, они имеют низкую проникающую способность и малую седиментационную устойчивость. Для обеспечения прокачиваемости и повышения проникающей способности растворов идут по пути увеличения их водоцементного отношения. При этом в растворе оказывается в 5—8 раз больше воды, чем необходимо для гидратации цемента. В результате твердение тампонажного камня происходит медленно, а отфильтровывающаяся вода приводит к размоканию глинистых пород и снижению выхода цементного камня (иногда до 50—60%). Цементно-песчаные растворы высокоабразивны и вызывают быстрый износ нагнетательного оборудования.

Химические растворы токсичны, дефицитны, имеют высокую стоимость; для их приготовления необходимо организовывать специальное производство.

В связи с этим, перспективным направлением совершенствования существующих и создания новых эффективных растворов, отвечающих современным требованиям технической политики по ресурсосбережению, является использование для этих целей отходов производства (вторичного сырья) и местных материалов.