Способ упрочнения пород

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ 17 РЕСПУБЛИК 00, 20/О 51) ОБРЕТ ОПИСА АВТОРСКОМУ ТЕЛЬ ТВ(71) Киевский политехн50-летия Великой Октяческой революции(56) Авторское свидетеМ 960441, кл. Е 21 О 1Авторское свидетеМ 1462893, кл. Е 21 0 ческий институт им рьской социалисти ьство СССР/00, 1982.ьство СССР1/00, 1988. ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИРИ ГКНТ СССР Изобретение относится к горному делуи может быть использовано для охраны горных выработок, а также при строительствеподземных сооружений, оснований и фундаментов,Известен способ упрочнения трещиноватых пород,при помощи нагнетания упрочняющего раствора в породы, имеющиевибрацию с частотой ультразвуковых волндля повышения скорости растекания,Недостатком такого способа являетсяограничение эоны растекания раствора областью вибрации пород, препятствием дляраспространения которой является наличиеоткрытых трещин,Наиболее близким по технической сущности и получаемому эффекту является способ упрочнения пород, включающийбурение скважин, размещение в них упрочняющего раствора, камуфлетное взрываниезаряда ВВ, повторное размещение упрочняющего раствора и заряда ВВ, которыйвзрывают через промежуток времени, неменее периода затвердевания первичногораствора до величины более твердости упрочняемой породы, Упрочнение пород по(54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ПОРОД (57) Использование: изобретение относится к упрочнению пород твердеющими составами с введением их энергией взрыва ВВ и может быть использовано для охраны подземных сооружений. Сущность изобретения состоит в получении упрочняющего раствора в затвердевшем состоянии большой прочности за счет сохранения свойств схватывания раствора при ограничении величины заряда ВВ, Способ осуществляется при помощи бурения шпуров, камуфлетного взрывания ВВ, заполнения полостей раствором, взрывания ВВ в растворе. прототипу достигается искусственным расширением трещин клиновым элементом из отвердевшего раствора при воздействии на него давления взрывных газов через жидкий раствор,Недостатками прототипа являются ограничение радиуса проникания раствора при весьма твердых породах, значительное количество раздельных операций (бурение а шпуров, размещение раствора, размеще ние ВВ, взрывание заряда) и значительные р затраты времени на период затвердевания раствора до величины более твердости пород, для используемых упрочняющих рас- + творов этот период составляет от ф нескольких часов до нескольких суток. АЦелью изобретения является упрощение способа упрочнения пород за счет сокращения числа операций по упрочнению а при создании давления в упрочняющем растворе более прочности пород, но не более прочности химических связей в растворе,По предлагаемому способу величина заряда ВВ выбирается такой, чтобы давление взрывных газов, передаваемое через раствор, превышало прочность пород на разрыв, но было не более прочности химических связей упрочняющего раствора, По прототипу увеличение радиуса проникновения упрочняюще-о раствора достигается за счет расклинивания трещин затвердевшим раствором. При этом твердость раствора для расклинивания трещин должна превышать твердость породы. Однако при использовании прототипа в горных породах полускального типа (сланцы, глинистые полускальные породы) период набора твердости раствора до величины более твердости пород составляет от 5 - 6 ч до 2 - 3 сут (химические вяжущие растворы, песчано-цементн ые ра ство ры), что требует значительной выдержки времени между первичным и повторным взрываниями, Это замедляет проведение работ по упрочнению пород,В предлагаемом способе взрывание заряда ВВ в растворе производят до момента схватывания в жидком растворе, а взрыв заряда ВВ создает давление взрывных газов, передаваемое через раствор, более прочности пород на разрыв. Тогда под действием давления взрывных газов упрочняющий раствор проникает в трещины, созданные предварительным взрыванием, и развивает в них давление, приблизительно равное давлению взрывных газов (т,к, жидкость практически не сжимается и давление передается без потерь). Величина давления превышает прочность пород на разрыв, поэтому происходит дальнейшее развитие трещин по плоскостям наслоения и др, направлениям ослабленного сопротивления пород, кливажным и технологическим трещинам,Жидкий упрочняющий раствор является средством передачи давления и, проникая в трещины, передает давление взрывных газов на берега трещин, поэтому .их расширение происходит, в отличие от прототипа, не проталкиванием точечного клинового элемента схватывающегося раствора по трещине, а за счет разрыва породы на конце трещины (развития трещины) при расширении ее берегов под давлением взрывных газов, Причем площадь, на которую прикладывается давление взрывных газов, равна площади поверхности берегов трещин, что обеспечивает развитие значительных усилий разрыва пород и вследствие этого развитие трещин.В прототипе проталкивание клинового элемента раствора по трещине происходит за период времени, в течение которого давление взрывных газов будет больше, чем сопротивление проталкиванию раствора. При увеличении пустотности(появление новых и развитие имеющихся трещин) давление взрывных газов уменьшается пропорционально приросту объема пустот втретьей степени, а также вследствие охлаждения взрывных газов и распространение5 раствора прекращается,В предлагаемом способе поддерживание давления взрывных газов более величины сопротивления пород разрыву, болеедлительный промежуток времени, чем по10 прототипу, обеспечивается наличием пластичной забойки. В этом случае взрывныегазы после взрывания, расширяясь, проталкивают раствор по трещинам, а поддержание давления взрывных газов более15 прочности пород на разрыв происходит засчет исключения выброса газов из взрывнойполости. Это обеспечивается. пластичнойзабойкой скважины увеличенной длины, которая, в отличие от прототипа, сохраняет20 объем взрывной полости практически неизменным и давление взрывных газов остается выше прочности пород на разрыв болеедлительный период времени, чем по прототипу, Таким образом достигается расшире 25 ние трещин и проталкивание раствора потрещине.В отличие от прототипа, где действиевзрывных газов на жидкий раствор непродолжительно и заканчивается за период30 протекания взрыва, в предлагаемом способе сохранение свойств упрочняющего раствора обеспечивается ограничениемвеличины заряда ВВ, При взрыве давлениевзрывных газов не превышает прочность хи 35 мических связей упрочняющего раствора.Прочность связей раствора характеризуется энергией, необходимой для нарушениясвязи, и зависит от вида (кристаллической,межмолекулярной, электростатической,40 ионной и т,д.). Если происходит разрушениесвязи молекул в растворе, то он теряет свойство твердения. Это подтверждено результатами экспериментов, Для сопоставленияиспытывали растворы гипсовых и магнези 45 альных вяжущих, в которые до их схватывания помещали и взрывали заряды ВВ(угленит Э), Изучение результатов взрывов показало, что при величине заряда ВВболее 0,4 кг происходит нарушение вяжу 50 щих свойств гипсового состава объемом 1014 л, для магнезиальных вяжущих того жеобъема - 2,4 кг. Испытаны также другие растворы (цементный, силикатные вяжущие,полиуретановые смолы) и установлено, что55 нарушение вяжущих свойств происходит,если удельная энергия взрыва превышает энергию химической связи молекул растворов. Математическая зависимость изобретения основана на механизме влияния взрыва10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 на процесс твердения вяжущих растворов.После затворения вяжущего вещества в растворе, т.е. размещении его в воде, частицывяжущего, находящиеся во взвешенном состоянии, представляют собой агрегативныесоединения, окруженные гидратными оболочками, причем молекулы воды ориентированы полярным образом, поэтому активнаявалентность частиц вяжущего связана. Дляразрыва оболочек требуется пиковое приложение давления, что осуществляется привзрывании ВВ в растворе, Это освобождаетповерхность частиц вяжущего и ускоряетпроцесс кристаллизации,Величина давления взрывных газов, передаваемая через объем раствора, должнабыть достаточна для развития трещиноватости, что выражается через заряд ВВ:ЦВВЧрр/К 1Величина создаваемого давления передается через гидратные оболочки почти безпотерь (т,к. жидкость почти не сжимается),поэтому требуется сохранение вяжущихсвойств раствора для последующего упрочнения пород,Условие сохранения вяжущих свойствобеспечивается сравнением выделеннойэнергии взрыва, равнойЕвв = К 2 рвв Чд/Цввгде К 2 - коэффициент затухания взрыва всреде(для воды равен 1),р ВВ - плотность ВВ, кг/см;з,ЧО - скорость детонации, м/с;цвв - количество ВВ в заряде, кг,и удельной энергии, необходимой для нарушения химической связи в частице вяжущего Ерр. Общая величина энергии химическихсвязей представлена в видеЕ = Ерр -э,где Яэ - эквивалентная поверхность, занимаемая раствором и представленная в видесферы объемом Чрр, тогда ее радиус и площадь поверхности определяется из формулЗг= , ь= бт(зна),ЛПодставив условие превышения энергии химсвязей раствора Ерр над энергиейвзрыва ЯВВ, получим условие сохранениявяжущих свойств раствора для последующего упрочнения пород4 гу Ерр2/Зу (РР 1 у/3Соединение этих условий позволяет получить условия выполнения способа упрочнения пород при взрывании заряда ВВ врастворе до начала схватывания.Предлагаемый способ осуществляетсяв следующей последовательности; в месте выполнения работ производится бурение шпуров на глубину, достаточную для заполнения искусственной трещиноватости, и с частотой, необходимой для равномерного заполнения трещин раствором, Для вскрытия естественных плоскостей ослабления и равномерного насыщения массива твердеющим раствором в шпурах производят взрывание камуфлетных зарядов ВВ, соэдающихтрещиноватость, связанную со взрывными полостями после камуфлетных взрываний. Учитывая наличие забойки из сыпучего материала (например, песок), которая при динамических воздействиях обладает значительным начальным сопротивлением, а при статических - невысоким, происходит ее "выдувание" из ствола шпура расширяющимися взрывными газами, однако требуется зачистка ствола шпура и освобождение его от породной мелочи, что производится при помощи деревянной досылочной штанги или сжатого воздуха (перебуривание взрывных полостей запрещено правилами безопасности в связи с возможным отказом ВВ). Через освобожденную часть шпура заполняют взрывную полость и связанную с ней трещиноватость твердеющим раствором. В зависимости от объема пустот, связанных с данным шпуром, и примерно равному объему раствора, заполнившего их, определяют величину заряда ВВ, создающего при взрывании давление в жидком растворе более прочности пород на разрыв.Одновременно контролируют, чтобы величина заряда не превышала заряд, создающий при взрывании выделение энергии, достаточное для разрушения связей в растворе. В полученном диапазоне принимают величину заряда ВВ, который через сохранившуюся часть шпура доставляют во взрывную полость, заполненную жидким раствором. Производят взрывание заряда ВВ до начала схватывания раствора.Пример конкретного выполнения.На шахте им. Героев космоса в восточном магистральном штреке горизонта 350 м, проведенном по аргиллитам сопротивлением разрыву Вр = 30 кг/см, производили упрочнение пород почвы. На глубину 2,5 м бурили вертикальные шпуры диаметром 42 мм и заряжали аммонитом Т(0,3 кг), В качестве сыпучей забойки использовали песок, устье шпура обсаживали кондуктором из трубы 1 /4 на длину 1 м. При вэрывании заряда сыпучая забойка была удалена взрывными газами, Во взрывную полость через кондуктор заливали раствор магнезиальных вяжущих с периодом схватывания 60 мин, При этом по емкости сосудов или про