автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Обоснование и разработка технологии крепления капитальных выработок на основе инъекционного упрочения массивов горных пород

БУРКОВ Юрий Васильевич

На правах рукописи

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КРЕПЛЕНИЯ КАПИТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК НА ОСНОВЕ ИНЪЕКЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальности:

05.15.04 - «Строительство шахт и подземных сооружений» 05.15.11 - «Физические процессы горного производства»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Кемерово 1998

Работа выполнена в ОАО «Кузбасский научно-исследовательский институт шахтного строительства» (Кузниишахтострой)

Научний консультант - докт. техн. наук, проф. Хямяляйнен В.А.

Официальные оппоненты: докт.техн.наук, проф. Полозов Ю.А.,

докт.техн.наук, проф. Лебедев A.B.,

докт.техн.наук, Еременко A.A.

Ведущая организация - ОАО «Концерн «Кузбассшахтострой» .

Защита состоится 26 мая 1998 г. в 1400 час на заседании диссертационного совета Д 063.70.02 в Кузбасском государственном техническом университете, 650026, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кузбасского государственного технического vнивepcитeтa.

Автореферат разослан ¿ЛыирЛШйл 998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета докт.техн.наук, проф.

ТАШКИНОВ A.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В связи с увеличением глубин ведения горных работ, отработкой легкодоступных месторождений полезных ископаемых возрастает протяженность капитальных горных выработок, проводимых в сложных горно-геологических условиях. На действующих шахтах России к благоприятным условиям выемки угля отнесено менее 50% его запаса. В основном они сконцентрированы в Кузнецком и Печорском угольных бассейнах. Однако и в этих регионах, содержащих соответственно 75 и 81% благоприятных условий от суммарной возможности фонда, в отработку вовлечены многочисленные шахтные поля с неблагоприятными условиями для выемки запасов угля. На действующих горизонтах шахт от 20 до 50% промышленных запасов при разработке пологих пластов и от 70 до 100% - при разработке наклонных и крутых пластов приходится на пласты со сложными горно-геологическими условиями. На угольных предприятиях, длительное время не подвергавшихся реконструкции, протяженность поддерживаемых выработок в 2-3 раза больше, чем это необходимо по технологическим требованиям. За последние 15 лет произошло их увеличение с 50,8 до 95,6 м на 1000 тонн годовой добычи угля. Увеличение протяженности капитальных горизонтальных выработок, проводимых в неустойчивых породах, на угольных шахтах за последние 10 лет привело к повышению трудоемкости крепления выработок в 3,7 раза и расхода металла в 2 раза.

Одним из перспективных направлений совершенствования технологии крепления является инъекционное упрочнение пород вокруг выработок. Несмотря на определенные успехи и имеющийся положительный опыт достигаемая плотность и прочность упрочненного массива не всегда обеспечивает требуемую несущую способность, не представляется возможным использование инъекционного упрочнения как самостоятельного способа крепления выработок.

Сложившееся положение обусловлено недостаточной изученностью физико-механических свойстз раствора и упрочненных пород о условиях действия инъекционного давления, отсутствием научно обоснованных рекомендаций по конструктивным параметрам инъекционных крепей и технологических схем их возведения, учитывающих физические особенности заполнения трещин и пустот массива горных пород скрепляющим рзстсором.

На основании изложенного представляется актуальной разработка теоретических положений по установлению закономерностей изменения свойств упрочненного массива и конструктивных параметров крепей на основе инъекционного упрочнения массива, а также научно обоснованных технических и технологических решений по их возведению.

Исследования выполнены в соответствии с координационными планами Минуглепрома СССР и Минтопэнерго РФ по тематическим планам научно-исследовательских работ Кузниишахтостроя ( № гос. регистрации тем

74040545; 76044181; 79038035; 01823049СПЗ; 01890032291; 01850025157; 01850022516; 81089041 ).

Цель работы - обоснование параметров технологии крепления капитальных выработок на основе инъекционного упрочнения массива горных пород, обеспечивающих устойчивость и снижение трудоемкости поддержания выработок.

Основная идея работы заключается в использовании закономерностей изменения физико-механических свойств растворов и упрочненных пород под инъекционным давлением при геомеханическом обосновании и разработке инъекционных технологий возвег'зния крепи.

Задачи исследований:

- установить влияние инъекционного давления на физико-механические свойства инъекционных растворов с вяжущим в виде цемента и его заменителей;

- определить закономерности изменения физико-механических свойств упрочненных горных пород в условиях действия инъекционного давления;

- оценить влияние инъекционного упрочнения на несущую способность массива горных пород;

- обосновать конструктивные параметры крепи, использующей несущую способность упрочненного массива;

-обосновать конструктивные параметры металлической крепи с тампо-нажным межрамным ограждением;

- разработать технологические схемы крепления капитальных выработок на основе инъекционного упрочнения массива горных пород.

Методы исследований.

Установление закономерностей изменения физико-механических свойств инъекционных растворов и упрочненных горных пород осуществлено путем лабораторных экспериментальных исследований по специально разработанным методикам с использованием стандартных методов испытания материалов и методов математической статистики.

Оценка влияния инъекционного упрочнения на несущую способность массива горных пород, обоснование конструктивных параметров инъекционной крепи и металлической крепи с тампонажным межрамным ограждением осуществлено с использованием методов механики сплошных сред, методов расчета железобетонных строительных конструкций, численных расчетов на ЭВМ , крупномасштабных лабораторных и натурных экспериментальных ис-следораний.

Разработка технологических схем крепления выработок осуществлена на основе анализа и обобщения результатов аналитических, лабораторных и натурных экспериментальных исследований, технико-экономического анализа вариантов крепления, конструктивной проработки и создания экспериментальных образцов новых комплексов инъекционного оборудования, опытно-промышленных испытаний.

Научные положения, защищаемые о диссертации:

- при увеличении инъекционного давления до 0,5 МПа стабилизируются физико-механические свойства инъекционных раствороо на основе вяжущего независимо от их первоначальной концентрации: остаточное водоцементное

массовое отношение растворов на основе портландцемента М400 без добавок составляет 0,21; с добавкой бентонитового порошка и жидкого стекла - 0,25, а прочность тампонажного камня вследствие уплотнения раствора за счет водоотдачи может быть увеличена в 2-4,5 раза; проникающая способность раствора на основе вяжущего в виде фосфогипса в 1,3-1,5 раза выше цементного, а прочность тампонажного камня в водной среде снижается более, чем в 2 раза;

- величина сцепления цементного камня и прочность упрочненных пород вследствие отжатия «лишней» жидкой фазы раствора увеличивается в 2-5 раз в зависимости от концентрации закачиваемого раствора, при этом прочность упрочненного образца породы нелинейно зависит от содержания в нем тампонажного камня;

- при использовании инъекционного упрочнения в сочетании с традиционными типами крепей в условиях сводообразования нагрузка на крепь после упрочнения пород может быть уменьшена в 3-5 раз с зависимости от размеров зоны нарушенных пород, а в условиях совместного деформирования - в 3-6 раз;

- при инъекционном креплении выработок с применением передвижной изолирующей опалубки критерием оценки его технико-экономических показателей является отношение площади зоны упрочнения к площади поперечного сечения выработки, при этом толщина упрочненного слоя меняется по ее периметру, причем максимальная толщина разна 0,6-1,4, а минимальная -0,1-0,2 радиуса выработки;

- прочность тампонажного камня незначительно влияет на повышение несущей способности металлической крепи с тампонажным межрамным ограждением, которое целесообразно армировать металлической сеткой с волнообразной ее установкой;

- качество и снижение трудоемкости крепления выработок обеспечивают технологические схемы инъекционного упрочнения массива горных пород, включающие в себя использование традиционных типоз крепей, передвижной «солирующей опалубки, щитовой инвентарной опалубки, специального инъекционного оборудования и предполагающие использование комплекса технических решений по ошагию «лишней» жидкой фазы раствора.

Научная новизна работы заключается:

-в установлении влияния водоотдачи инъекционных растворов на основе вяжущего на их физико-механические свойства;

-в разработке методики исследований и определении физико-механических свойств упрочненных горных пород с учетом водоотдачи инъекционных растворов;

-в оценке влияния инъекционного упрочнения массива горных пород на величину нагрузки на крепь;

-в оптимизации параметров крепи из упрочненного массива горных пород, возводимой с применением передвижной изолирующей опалубки;

-в обосновании параметров технологии возведения металлической крепи с тампонажным межрамным ограждением;

-в разработке, технологических схем инъекционного упрочнения массива горных пород, использующих научно обоснованные технические решения по

пкатию «лишней» жидкой фазы раствора, определению параметров инъекции, конструкциям изолирующих оболочек и тампонажного оборудования.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- применением классических методов механики сплошных сред, теории подобия и математической статистики;

- удовлетворительной сходимостью результатов аналитических, экспериментальных лабораторных и натурных исследований по определению физико-механических свойств упрочненных пород и оценке несущей способности упрочненного массива;

- положительными результатами опытно-промышленной проверки технологий инъекционного упрочнения массива горных пород с применением передвижной и щитовой инвентарной опалубки, а также широкомасштабного внедрения технологий инъекционного упрочнения в сочетании с традиционными типами крепей.

Личный вклад автора заключается:

- в установлении закономерностей изменения физико-механических свойств инъекционных растворов на основе вяжущего в виде цемента, фосфо-гипса и зол-уноса с добавками;

- в разработке методики исследований и установлении закономерностей изменения физико-механических свойств упрочненных горных пород в зависимости от свойств монолитных пород, тампонажного камня и его процентного содержания;

- в проведении аналитических, лабораторных и натурных экспериментальных исследований по оценке влияния инъекционного упрочнения на работу крепей горных выработок;

- в обосновании конструктивных параметров инъекционных крепей, возводимых с использованием передвижной и щитовой инвентарной опалубок;

- в разработке конструкций изолирующих опалубок и тампонажного оборудования;

- в обосновании, разработке, оценке эффективности и внедрении технологических схем инъекционного упрочнения массива горных пород.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей изменения физико-механических свойств инъекционных растворов на основе вяжущего и упрочненных горных пород с учетом водоотдачи растворов, оптимизации параметров инъекционного упрочнения массива горных пород и обосновании на их основе технологии крепления выработок, исполь-эующей'несущую способность упрочненного массива.

Практическая ценность. Применение разработанных технологических схем инъекционного упрочнения массива горных пород позволяет уменьшить нагрузку на традиционно применяемые крепи, использовать упрочненный массив в качестве самостоятельной крепи, уменьшить расход металла при креплении выработок металлической крепью с тамлонажным межрамным ограждением и в целом уменьшить трудоемкость и стоимость крепления выработок.

Реализация работы. Основные положения диссертационной работы вошли составной частью в следующие нормативные руководящие докумсни,.

1. Технологические схемы упрочнения массивов горных пород цементацией при проведении капитальных горных Быработок в зонах геологических нарушений (утв. МУП СССР 10.10.79) / Куэниишахтострой.-Кемерово, 1930.

2. Рекомендации по физико-химическому упрочнению неустойчивых пород при сооружении тоннелей БАМ/ ЦНИУЮ.-М., 1930

3. Руководство по производству инъекционных работ при строительстве тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях (одобрено Минтранс-строем СССР) / ЦНИИС.-М., 1933.

4. Руководство по выбору конструктивных и технологических параметров тюбинговой крепи (ГТК) с заполнением закрепного пространства твердеющими смесями для условий Кузнецкого и Карагандинского бассейнов (РД 12.13.06487 МУП СССР)/Кузниишахтострой. - Кемерово, 1987.

5. Методический указания по определению коэффициента трещинозато-сти горного массива вокруг выработок реометрическим и электрометрическим методами (временные)/Кузниишахтострой, КузПИ. - Кемерово, 1988.

3. Руководство ло технологии крепления горных выработок с применением опалубки ОМП, основанной на использовании несущей способности упрочненных пород (РД 12.18.088-89 МУП СССР)/Кузииишахтострой. - Кемерово, 1990.

7. Каталог единичных расценок на нагнетание цементных растворов при последующей цементации горных пород в завиашоста от проницаемости пород: Доп. к сб . ЕРЕР №35 «Горнопроходческие работы», утв. МУП СССР 29.-6.90./Центрогипрошахт,- М., 1990.

8. Методические указания по контролю последующего инъекционного упрочнения горных пород вокруг выработок растворами на оснозе цемента электрометрическим методом/Кузниишахгострой, КузПИ .-Кемерово, 1991.

9 Руководство по технологии возведения металлобзтонной крепи с использованием щитовой инвентарной опалубки /Кузниишахтострсй.-Кемерово, 1997.

Технология инъекционного упрочнения массива горных пород с применением передвижной изолирующей опалубки прешла опытно-прсмйшленную проверку на участках выработок скол.сстзсльных дворов гор.+120 м ш. «Киселевская» и гор.-ЮО м ш. «Березовская». Технология возведения металлической крепи с тампонажным межрамным ограждением прошла опытно-промышленную проверку на участке путевого квершлага rop.-2GQ ч ш. «Юбилейная» и участках выработок околоствольного двора ш. «Есаульская» . Технологии тампонажа закрепных пустот и инъекционного упрочнения массива горных пород ¡3 сочетании с традиционными типами крепей снедрены но 29 шахтах Кузнецкого и Карагандинского угольных бассейнов с общей протяженностью выработок 21,3 ш. Фактический экономический эффект от внедрения составил 15, 415 тн.руб. (з ценах 1990 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Всесоюзной научно-технической конференции «Пути ускорения строительства и реконструкции предприятий угольной лромышлгнности Кузбасса» (г.Новокузнецк, 1974); Всесоюзном научно-техническом семинаре «Проведение и крепление горных выработок в уело?.' ях неустойчивых горных пород» (г.Павлоград, 197G); Всесоюзном нчуи

техническом семинаре «Применение новых-¿идов крепей для капитальных горных выработок»(г. Междуреченск, 1977); Всесоюзной научно-технической конференции «Совершенствование организации и технологии проведения горизонтальных и наклонных горных выработок» (г.Павлоград, 1983); Всесоюзной научно-практической конференции «Повышение технического уровня проектов, строительного производства и эффективности научных разработок МУП СССР»(г. Кемерово, 1989); Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах (г.Кемерово, 1994); 1У Международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобыс.ющей промышленности» (г. Новокузнецк, 1997); научно-производственной конференции компании «Росуголь» и АО «Ростовшахтострой» «Проведение вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок при строительстве новых шахт»(г.Шахты, 1997); ежегодных научно-технических советах комбинатов «Кузбассшахтострой» (гг.Новокузнецк, Кемерово, 1974-1997) и «Ростовшахтострой» (г.Шахты, 1992-1997).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 43 научные работы, в том числе 1 монография , 18 авторских свидетельств п 3 патента на изобретения.

Обьсм работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы из 187 наименований, 2 приложений; изложена на 361 странице машинописного текста, содержит 85 рисунков и 64 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Состояние допроса

Вопросы технологии и обосновывающие ее методы расчета крепления выработок достаточно полно отражены в работах Б.З.Амусина.И.В.Бикпашоеа, Ф.А.Белаенко, Н.С.Булычеву, А.Н.Воробьева, С.С.Давыдова,, А.Н Динника, П.В. Егорова, В.В. Егошина, Л.М.Ерофеева, А.А.Еременко, Ж.С Ержано-ва, Ю.З.Заславского, Б.Н Каретникова, Б.А. Картозия , Г.А. Крупонникова, Ю.М. Пиберыана, А.П. Максимова, В.Е.ГЛеркина, Л.Н. Насонова, Е В. Петренко, В.Л.Попова, М.М. Протодьяконоиа, А.Г. Протисеня, К С. Руппенейта, Р.Н. Савина, Н.Н.Фотиевой, П.М. Цимбаревича, И.Л. Черняка, (".Г. Штумпфа и др.

В зависимости от назначения, срока службы выработки и физико-механических сиойсти горных пород с учетом требований к крепи и крепежным материалам в настоящее время применяют металлические, монолитные ы сборные бетонные и железобетонные, набрызг-бетонные и анкерные крепи. 8 отдельных случаях все еще находит применение деревянная крепь. В угольной промышленности до настоящего времени основным видом крепи является металлическая, в горно-рудной - масрызг-Сетонная и анкерная. Монолитная бетонная и железобетонная крепи широко распространены в выработках очолоствольных дворов, в гидротехнических и автодорожных тоннелях.

Практика показывает, что в общих затратах труда и времени в проходческом цикле процесс крепления занимает 30-60% в зависимости от технологии

и средств механизации горнопроходческих работ. Техническая и экономическая несостоятельность применяемых в угольной промышленности конструкций крепей и способов их возведения обусловили разработку новых видов крепи.

С целью обеспечения надежной работы крепей и повышения устойчивости горных выработок в сложных горно-геологических условиях в последние годы все в больших объемах применяются тампона»? закрепного пространства и инъекционное упрочнение приконтурного массиза.

Исследованием тампонажа трещиноватых пород и инъекционным укреплением грунтов занимаются в МГУ, СПбГИ, ИГД им.А.А.Скочинского, НИИ-ОСПе, ПО «Спецтамлонажгеология», концернах «Днелрошахтострой», «Кузбассшахтсстрой», ДонУГИ, МГГУ, МакИСИ, Свердловском горном институте, КузГТУ, Пермском политехническом институте, Гпдроспэцпроекто, ВНИИГе им. Б.Е.Веденеева, ЦНИИСе, ВНИИОМШСе, ВИОГЕМе, Кузниишах-тсстроо и некоторых других научно-исследовательских и производственных организациях.

Современный уровень развития инъекционных технологий при проходке выработок в обводненных породах и упрочнении породного массива достигнут благодаря работам А.Н.Адамовича, И.Т.Айтматооа, Э.Э.Алласа, А.А.Баряха, И.И.Вахрамеева, Н.Н.Волкова, П.П.Гальченко, Е.Г.Дуда, Е.Б.Дружко,

B.В.Евтушенко, Ю.З.Заславского, Е.П.Калмыкова, А.Камбефора, Э.Я.Кипко, Б.И.Кравцова, Ю.Н.Куликова, Г.И.Комарова, В.А.Лагунова, Н.Т.Логачева,

A.З.Литвина, Г.Г.Литвинского, О.Ю.Лушниковсй, А.П. Максимова, Г.И. Мань-ковского, ' В.И.Митракова, И.Д.Нзсонова, ЮЛЛолозова, Б.Д.Половова,

C.М.Простова, М.А.Саламатова, Ю.Н.Спнчака, П.С.Сыркмна, Н.Г.Трупака,

B.Г.Хейфеца, В.А.Хямяляйнена, М.Н.Шуплика.

Из анализа вышеприведенных работ следует, что технология инъекционного воздействия на массив растворами на основа влет/щого развивалась о основном применительно к созданию протиоофпльтрациош:ых завес. При этом разработаны теоретические основы гидродинамики стабильных и нестабильных тампонажных растворов и рекомендации по технологии и режимам закачки растворов. Основными причинами, сдерживающими применение инъекционного упрочнения как способа повышения устойчивости выработок, являются отсутствие геомзхакического обоснования крепления выработок с учетом водоотдачи тампонажных растворов под дзолением, отсутствие конструкций и технологии возведения изолирующих оболочек вокруг выработок, а также работоспособных тампонажных комплексов дпп ведения инъекционных работ.

2. Лабораторные исследования скойств инъекционных рпстоороо

Кроме водаотделенип вследствие седиментации цементных частиц при нагнетании раствора в породный массив происходит процесс Отделении воды из раствора под действием инъекционного давления - водоотдача раствора. Эксперименты по водоотдаче проводили на установке, снабженной фильтра-

ционными камерами объемом 0,2 и 3,0 л. Установка состоит из баллона для воды, фильтрационной камеры, компрессора, соединительной арматуры и контрольно-измерительных приборов. Основным элементом установки является фильтрационная камера, в которую помещается образец проницаемой среды и заливается исследуемый раствор. Результаты отдельных экспериментов по водоотдаче растворов на основе вяжущего в виде цемента, приведенные в табл. 1 , позволили установить следующее.

Под действием перепада давления при наличии проницаемой среды водоотдача увеличивяется. Рост количества фильтрата при водоотдаче растворов без добавок происходит равномерно и наблюдается до давления 0,25 МПа. При возрастании давления от 0,25 до 0,5 МПа увеличение объема фильтрата незначительное.

Добавка хлористого кальция не оказывает влияния на изменение объема фильтрата. Добавки бентонитового глинопорошка и жидкого стекла способствуют уменьшению объема фильтрата, причем добавка жидкого стекла более эффективна.

Таблица 1

Характеристики инъекционных растворов на основе цемента

Водоцементное Остаточное Выход тампонажного Увеличение

отношение водоцемен- камня, % прочности там-

исходного Добавка тное в обыч- после от- понажного кам-

раствора отношение ных фильтро- ня в результа-

и марка условиях вывания те уплотнения,

цемента %

0,5 Без добавок и с до- 0.24 95 68 100

(М 500) бавкой 3% хлористого кальция

4% бентонитового 0,28 98 73,5 100

глинопорошка

4% жидкого стекла 0,28 68 78,5 200

• 1 Без добавок и с до- 0,24 62 42 240

(М 500) бавкой 3% хлористого кальция

4% бентонитового 0,28 68 44 240

глинопорошка

4% жидкого стекла 0,28 75 53 380

3 Без добавок и с до- 0,24 26 12 280

(М500) бавкой 3% хлористо-

О го кальция

4% бентонитового 0.28 32 13,5 280

глинопорошка

4% жидкого стекла 0.28 42 19 460

0,5 Без добавок и с до- 0,21 65 61

(М 400) бавкой 3% хлористого кальция 4% бектонитового глинопорошка 0.25 98 69 -

4% жидкого стекла 0,25 98 74 -

Начальная проницаемость фильтрующей среды почти не оказывает слияния на продолжительность процесса водоотдачи. Данные о ходе процессов водоотдачи во времени позволяют сделать вывод о том, что фильтрация идет с непрерывно уменьшающейся интенсивностью. После окончания формирования контактного слоя проницаемой срсды интенсивность водоотдачи несколько стабилизируется. Моменту отфильтровьтания основного количества жидкой фазы и началу уплотнения твердой фазы соответствует резкое уменьшение интенсивности отфильтровывания.

Исходя из опыта внедрения в производство упрочнения горных пород цементацией и учитывая дефицит цемента в отрасли, можно сделать вывод, что бесперебойная поставка цемента в требуемом количестве для проведения рассматриваемого вида горных работ на ближайшую перспективу нереальна. Поэтому в настоящее время первостепенное значение приобретает задача снижения расхода цемента за счет применения более дешевых и менее дефицитных заменителей цемента и песка на основе отходов производства.

С этой целью выполнены исследования физико-механических свойств тампонажных растворов на основе фосфогипса, с добавками зол-уноса и золошлаковых смесей.

При испытаниях фосфогипса определяли:

- сроки начала и окончания схватывания чистого вяжущего материала и с добавками замедлителя схватывания и наполнителя: золы-уноса, песка;

- предел прочности при одноосном сжатии образцов чистого вяжущего материала и с различными добавками;

- объемное расширение, усадку чистого вяжущего материала и с добавками;

-прочность образцов вяжущего материала в зависимости от условий хранения;

- адгезию вяжущего к различным горным породам, бетону, металлу и дереву;

- проникающую способность растворов фосфогипса.

Для замедления сроков схватывания использовали триполяфосфат натрия (далее ТПФ). В качестве рабочей принята добавка ТПФ в количестве 0,15% массы фосфогипса, как удовлетворяющая (по срокам схватывания) требованиям организации тампонажных работ в производственных условиях.

В качестве наполнительных добавок к растворам фосфогипса использовали золу-уноса котельных завода химического волокна г. Кемерова и песок. Песок перед введением □ раствор просеивали через сито с отверстиями 1,25 10"3 м.

Предел прочности при сжатии определяли на образцах размерами 40x40x40 мм, Учитывая существенное влияние условий хранения образцов [ в помещении с температурой (20 ± 3)°С и относительной влажностью (65 ± 10)%; в камере с температурой (20 ± 3)°С и относительной влажностью более 90%; в воде с температурой (20 ± 3)°С] на их прочность , что видно из табл.2, за основу было принято хранение образцов в камере. Результаты испытаний приведены в табл. 3.

Таблица 2

Пределы прочности образцов фосфогипса при различном хранении

Условия хранения образцов Предел прочности образцов при сжатии (МПа) в возрасте

2ч 1 сут 7 сут 28 сут

В помещении 19.3 24,4 34,7 40,6

В камере 18,3 23,9 23,9 20,7

В воде 13,7 22,2 21,7 19,4

Таблица 3

Предел прочности образцов при одноосном сжатии

Состав раствора, % В:Т Выход камня. Предел прочности при сжатии (МПа) в возрасте

фосфогипс ¡ зола [ лесок ! тпф % 2ч | 1 сут 7 сут 28 сут

100 - - 0,35 100 18,3 23.9 23,9 20,7

100 - - 0,4 - 12,4 15,1 16,7 14,8

100 - - 0,5 - 10,5 12,3 9,2 10,5

100 - - 0,6 - 6,9 8,6 7,1 6,9

100 - - 0,7 - 2,6 4,6 4,3 4,5

100 - 0,15 0,35 100 - 22,6 26,4 24,3

70 30 0,35 100 0,2 12,1 12,4 11

50 50 0,35 100 . 6.7 5,7 5,6

70 - 30 0,35 100 6.9 10 10,6 9.3

50 - 60 0,35 100 3,1 4.7 4,6 4

30 - 70 0,35 93 0,9 1,3 0,8 1

Адгезию и проникающую способность раствора фосфогипса определяли на лабораторных приборах конструкции Кузниишахтостроя. На проникающую способность испытывали растворы с массовым отношением фосфогипс : вода , равным 1:0,5 и 1:0,4 с добавкой триполифосфата натрия 0,15%. Подвижность таких растворов достаточна для перекачивания (нагнетания) их насосами, используемыми при упрочнении трещиноватых горных пород.

Сопоставляя полученные данные с проникающей способностью цементных растворов, приготовленных на цементе марок 400, 500, можно сделать вывод, что проникающая способность растворов фосфогипса значительно выше цементных. Растворы фосфогипса принятых составов могут проникать в трещины с раскрытием 0,6 ' 10~3 м и более, а цементные растворы лри том же В: Т - е трещины 0,9 ' 10"3 м и более.

Фосфогипс, как быстротвердеющее вяжущее, можно рекомендовать для тампонажа закрепных пустот и упрочнения трещиноватых горных пород в не-обводненных горных выработках с относительной влажностью воздуха не более 75%. Растворы на основе фосфогипса (без добавки замедлителя) в основном являются быстротвердеющими. Такие растворы могут применяться для выполнения отдельных видов работе горных выработках с использованием подающих аппаратов со смачиванием сухого материала на выходе из сопла. При тампонажо закрепных пустот и упрочнении трещиноватых горных пород в растворы следует вводить замедлители схватывания. В качестве замед-

ляющей добавки целесообразно использовать триполифосфат натрия, позволяющий регулировать сроки схватывания растворов в требуемых пределах.

В целях экономии вяжущего при ведении работ по заполнению крупных закрепных пустот в растворы фосфогипса целесообразно вводить наполнительные добавки: золу-уноса, шлаки, песок и др. Количество наполнительных добавок в каждом конкретном случае следует определять опытным путем с учетом требований к прочности тампонажного камня.

3. Лабораторные исследования физико-механических свойств упрочненных горных пород

Исследования физико-механических свойств горных пород до и после упрочнения производили с целью выяснения изменения этих свойств в результате воздействия упрочняющих растворов на горные породы. При этом исследовали следующие физико-механические свойства: предел прочности на одноосное сжатие и растяжение; величину сцепления и угол внутреннего трения; модуль деформации и коэффициент Пуассона.

Указанные свойства горных пород до и после их упрочнения определяли по стандартным методикам за исключением определения адгезии цементного камня с различными типами горных пород. Определение этой характеристики выполняли с учетом существующей методики следующим образом.

В фильтрационную камеру з специальной обойме устанавливали образец исследуемой горной породы, имеющий достаточно ровную грань скола, на которую устанавливали и закрепляли форму в виде полого усеченного конуса. После заполнения фильтрационной камеры и, следовательно, формы, испытуемым цементационным раствором и отфильтрозывания из него свободной жидкой фазы обойму вместе с формой извлекали из камеры и оставляли для твердения. Полученные указанным способом образцы подвергали испытаниям через 7 суток для определения адгезии цементного камня с горными породами. л

Предел прочности при сжатии на образцах полуправильной формы определяли по методике ИГД им. ААСкочинского. Испытаниям подвергали образцы цилиндрической формы диаметром 42-43 мм. По результатам испытания образцов строили паспорта прочности горных пород, по которым определяли величину сцепления и угол внутреннего трения.

Отличительной особенностью этой части исследований является то, что образцы упрочненных (сцементированных) горных пород изготавливали в специальной фильтрационной камере, позволяющей более полно воспроиззесги естественные услозия в процессе упрочнения, главным образом , отфильтро-вывание жидкой фазы из цементационных растворов при нагнетании под давлением. Изготовление искусственных образцов, полностью отражающих натурные условия, сопряжено с непреодолимыми труднсстя.ми, а массивы горных пород вблизи контура выработки, которые требуется упрочнять, чаще всего разбиты более чем тремя системами трещин. В связи с этим в настоящей работе принят способ изготовления упрочненных образцов из кусков горных пород с хаотической трещиноватостью.

Образцы упрочненных горных пород изготовляли путем укладки в формы кусочков горной породы. Формы для получения образцов упрочненных горных пород или тампонажного камня требуемых размеров устанавливали в фильтрационную камеру и заполняли цементационным раствором при заданном давлении нагнетания. Так как остаточное водоцементное отношение не зависит от первоначальной концентрации раствора, в камеру заливали раствор, как правило, с Ц:В = 1:0,5. Такой раствор достаточно удобен в приготовлении. Изготовленные образцы упрочненных горных пород и тампонажного камня испытывали через 7 и 28 суток.

Определение физико-механических свойств горных пород до и после их упрочнения осуществляли с использованием серийно выпускаемых и изготовленных в Кузниишахтострое приборов. Предел прочности при одноосном сжатии и растяжении определяли на прессе. Образцы правильной формы изготавливали с использованием камнерезной машины САСП-1 и керноотборни-ка. Для замера продольных и поперечных деформаций применяли тензомет-рические датчики типа ДМ-12. Регистрацию величин деформаций производили электронным автоматическим измерителем деформаций типа АИД-1м.

Результаты исследований адгезии тампонажного камня с горной породой показали, что разрушение образца происходило либо по контакту цементного камня с породами, либо по породе. Имели место случаи смешанного разрушения. При этом разрушение образцов, изготовленных из угля и алевролита, происходило более чем в 50% опытов по породе. Это обстоятельство позволяет считать, что прочность упрочненных горных пород зависит не только от величины сцепления их с тампонажным камнем. Характер разрушения образцов позволил сделать предположение, что прочность упрочненных пород, при прочих разных условиях, зависит от соотношения и физико-механических свойств упрочняемых пород и тампонажного камня. Определяя прочность упрочненного образца ке:: средневзвешенную величину прочностей тампонажного камня и породы, получили эмпирическую зависимость

Су = (сгт - <ТП) ГПК + Оп , (1)

где сгу, Ст, <7(1 - пределы прочности соответственно упрочненного образца, тампонажного камня и породы, МПа; т - содержание тампонажного камня ( коэффициент трещинной пустотности); к - эмпирический безразмерный коэффициент (показатель степени нелинейности).

На рис.1 представлены графики полученных эмпирических зависимостей предела прочности упрочненных образцов одноосному сжатию и растяжению от содержания тампонажного камня. Результаты эксперимента показали, что величина показателя степени нелинейности к изменяется от 0,163 до 0,036 при изменении содержания тампонажного камня от 0,06 до 0,37. При коэффициенте структурного ослабления в массиве, равном 0,2, результаты лабораторных испытаний образцов на одноосное сжатие дают прочность в массиве, представленную в табл.4. Результаты определения всех физико-механических свойств упрочненных образцов горной породы представлены в табл. 5. На рис.2 приведены паспорта прочности.

а)

б)

Ос МПа

15

10 5

1—^4

Ц- —

А От

<

0,1 0,2 0,3 0,4 т

0,1 0.2 0,3 0 4 т

Рис.1. Графики зависимости предала прочности сжатию (а) и растяжению (б) упрочненных образцов от содержания тампонажного камня:

1 - песчаник; 2-алевролит; 3 - аргиллит; 4 - уголь.

а)

МПа

тпь б) МПа'

15 10 5

0 10 20 30 40 <т„,МПа

0 5 .10 15 20 30 сГл.МПа,

Тп«, В) МПа

2\

Зч

Л ж N N Т

г

МПа

2 ч

ч

/Г' N ч

{ Цг \ \

К р<\ N \

О 2

6 8 Оп.МПп

6 0 10 о„,МПа

Рис.2. Паспорта прочности пссч~:«им (я), алявролита (б), аргиллита (а), угля (г):

1 - Т;;0! юлилшя порода; 2 - таипоиакний камень; 3 - упро«н>**з;> поосдэ

Таблица 4

Прочность горных пород на одноосное сжатие

Тип породы

Предел прочности до упрочнения, МПа

в образце

Предел прочности после упрочнения, МПа

Песчаник Алевролит Аргиллит Уголь

52,5 28,0 6,54 2,53

10,5 5,6 1,3 0,5

20,8-14,9 15,4-13,1 6,6-7,6 3,5-7,2

Сравнивая полученные результаты эксперимента с данными Е.Б.Дружко и Ю.З.Заславского, полученными для различных концентраций раствора без учета влияния инъекционного давления, можно сделать вывод, что прочность упрочненной породы вследствие отжатия «лишней» жидкой фазы раствора под давлением может быть увеличена в 2-5 раз.

Таблица 5

Оизико-механическио характеристики образцов из упрочненных горных пород (возраст 7 суток)

Тип породы Содержание тампо-нажного камня Одноосное сжатие, МПа Растяжение, МПа Угол внутрен него тре ми.я, град Коэффициент сцепления, МПа Модуль Юнга(уль тразвук) ЕЮ-5, МПа Модуль Юнга (датчик) ЕЮ"5, МПа Коэффициент Пуассона, Ц

Пес- 0,45 14, 4 1,84 20,0 1,8 0.2 0,17 0,15

чаник 0,48 12,5 2,04 24,0 1,7 0,25 0,18 0,14

0,50 11.3 2,21 29,0 1,8 0,25 0,21 0,12

Алев- 0,46 13.0 1,28 12,0 3,2 0,14 0,1 0,12

ролит 0,51 12.6 1.4 24,0 3,05 0,14 0,12 0,10

0,52 12.0 1.0 27,0 2,9 0,16 0,13 0,14

Аргил- 0,46 7,35 1,37 20,0 1,8 0,06 0,05 0,07

лит 0,50 7,2 1,32 14,0 2,3 0,05 0,06 0,15

0,52 6,5 0,93 12,0 2,75 0,08 0,07 0,23

Уголь 0,42 6,55 0,72 29,0 1,38 0,07 0,08 0,23

0,44 6,15 0,75 15,0 2,4 0,07 0,03 0,35

0,45 6.0 0,83 34,0 2,0 0,1 0,09 0,15

4. Исследование влияния инъекционного упрочнения на несущую способность породного массива

При определенных условиях о окрестности выработки может образоваться область предельного равновесия. Горная порода в пределах данной области разрушается, и распределение деформационных (Е) и прочностных (о) характеристик , согласно исследованиям И.В.Баклашова, БАКартозия и др., может аппроксимироваться следующими выражениями:

ЕО-НЕ^О-аг"); (2)

а(г) = ом(1 -Ьг~к), (3)

где Е,л аю - модуль деформации и прочность на одноосное сжатие ненарушенной породы, МПа; г - текущая координата, выраженная в единицах внутреннего радиуса выработки; а, Ь, п, к- параметры аппроксимации.

После упрочнения параметры аппроксимации э, Ь, п, к изменяются. Оценим эффективность упрочнения горных пород по изменению величины нагрузки на крепь в условиях сплошного сводообразования и совместного деформирования крепи и массива.

В условиях сводообразования хрупкое разрушение носит сдвиговый характер с последующим образованием в окрестности выработки сплошной зоны предельного равновесия. Известно, что в этом случае нагрузку можно определить как вес отслоившихся пород зоны предельного равновесия в своде выработки. Тогда интенсивность вертикальной нагрузки на крепь будет

Р=уНо(Гр-1), (4)

где Р - интенсивность нагрузки, МПа; у - объемный вес пород, МПа/м; Я0 - радиус выработки, м; Гр - безразмерный радиус зоны предельного равновесия, определяется из условия сопряжения напряжений в области предельного равновесия и линейного деформирования.

При деформировании массивов без разрывов сплошности нагрузка на крепь определяется из условия совместности деформирования крепи и массива

и.(Р) = I». + 1»(Р). (5)

где ил(Р) - смещение породного контура ло истечении длительного промелсут-ка времени после установления статического равновесия в системе «крепь -порода», м; и0 - начальное смещение породного контура.до ввода крепи в работу, м; и(Р) - смещение контура крепи к моменту установления статического равновесия в системе «крепь - порода», м.

Для расчета нагрузки до и после упрочнения разработан алгоритм и программа расчета на ЭВМ. В качестве примера на рис. 3 приведены результаты расчета нагрузки на крепь а зависимости от размеров зоны нарушенно-сти пород .5 для двухпутевой выработки с площадью поперечного сечения в соету 16,4 м2 и в проходке - 21,1 м7 при следующих исходных донных: прочность пород в зоне равновесия асж = 5,6 МПа, вне зоны - <т'сж= 0,56 МПа;

прочность упрочненного массива сгу= 6,25 МПа; Еж = 0,245 ■ 10® МПа; у = 0,025 МПа/м; Л?0 = 2,6 м\ модуль деформации бетона крепи £„= 2,78 '103 МПа; коэффициент Пуассона материала крепи //к = 0,3; толщина крепи с1к = 0,3 м .глубина расположения выработки Ь = 250 м.

Экспериментальные лабораторные исследования влияния инъекционного упрочнения на несущую способность массива горных пород выполнялись на модели участка горизонтальной горной выработки.

Ркс. 3. Нагрузка на крепь о условиях сплошного свадообраюванкя (а) и совместного деформирования (6): 1 - до упрочнения; 2 - поело упрочнения.

Выбор физической модели участка горизонтальной горной выработки осуществлен с учетом возможности определения толщины упрочненной зоны в зависимости от геометрических параметров горных выработок, нагрузки на крепь, трещинной пустотности, блочности, физико-механических свойств горных пород до и после упрочнения, свойств упрочняющих растворов и режимов нагнетания их в упрочняемый массив при отфильтровывании из растворов жидкой фазы. Исходя из этого физическая модель принята из материала натуры при геометрическом масштабе подобия 1 : 5.

Исследования несущей способности упрочненных горных пород выполнены со следующими типами горных пород: песчаник темно-серый среднезер-нистый из шахты «Северная» АО ¿Северокузбассуголь»; тот же песчаник, вы-ветрелый посла хранения на поверхности земли в течение года; выветрелый песчаник из обнажении речки Кам&иуижи в районе деревни Красной Кемеровское района; уголь пласта Болконского из Лптышевского карьера.

Данные экспериментальных исследований на лабораторном стенде показывают, что упрочнение цементацией песчаников и углий позволяет получить своды из упрочненных горных пород с достаточно высокой несущей способностью. Тек, при изменении толщины свода о замке от 0,03 до 0,15 м разрушающая удельная нагрузка для моделей из песчаников шахты «¡Северная» увеличилась с 0,289 до 0,745, а для моделей из упрочненного угля - с 0,22 до 0,52.МПа. Разрушение сводов происходило, как правило, по трещинам, возникающим в зонах действия наибольших изгибающих моментов. Отклонения от этой схемы разрушения наблюдались в сводах, содержащих крупные дефекты о виде незаполненных тампонажным камнем полостей.

Кроме аналитической и лабораторной экспериментальной оценки влияния инъекционного упрочнения на несущую способность массива выполнены натурные экспериментальные исследования. Инструментальные наблюдения

в горных выработках до и после упрочнения горных пород осуществляли с помощью специальных замерных станций. Количество замерных станций о каждой выработке определялось длиной экспериментального участка и техническими возможностями. На каждой замерной станции изучали одновременно: величины и скорости смещения горных пород по контуру поперечного сечения выработки; величины и скорости деформаций горных пород в зоне влияния выработки (в глубине массива); величины нагрузок на крепь и их изменение во времени и по контуру сечения выработки.

При оборудовании замерных станций фиксировали время установки самой станции, временной и постоянной крепи, конфигурацию сечения выработки в проходке , состав, блочность массива горных пород и качество забутовки закрепного пространства.

Смещения и деформации горных пород и крепи изучали помощью реперов, закладываемых в крепи, а также контурных и глубинных реперов, закладываемых в горных породах, окружающих выработку.

В качестве примера приведем результаты натурных исследований по влиянию укрепительной цементации на устойчивость горных выработок в условиях шахты «Ягуновская» АО «Северокузбассуголь». На гср.+ 50 м (h = 110 м) все выработки, кроме нижней приемной площадки лесоспускного уклона и участка промквершлага, примыкающего к ней, находились в удовлетворительном состоянии. Нижняя приемная площадка лесоспускного уклона быпа закреплена монолитной железобетонной крепью, а заезд с промквершлага на площадку - металлической арочной крепью СВП-18 через 0,8 м со сплошной железобетонной затяжкой. Выработки были пройдены буровзрывным способом. Металлическая арочная крепь со стороны промквершлага заменялась на монолитную бетонную, и когда до сопряжения с нижней приемной площадкой оставалось 19 м, произошло обрушение пород и крепи на протяжении 16 м. Объем обрушенных пород составил 235 м3. Ранее давлением пород была деформирована постоянная железобетонная крепь сопряжения и нижней приемной площадки. Поело заделки образовавшегося купола на всем участке зяездз промквершлага была возведена монолитная железобетонная крепь толщиной 500 мм с рабочей армат/рой диаметром 20 шг. Спустя некоторое время в крепи заезда промквершлага появились трещины, я для предотвращения обрушения крепл на нижней площадке были установлены деревянные подхваты из расчета 1 стойка из 1-1,5 м2 кровли. В связи с этим было принято решение -на опасном участке провести улрочненкэ горных пород цементацией.

Для исследования поведения массива после цементации была установлена замерная станция для измерения смещений пород. Графики смещений глубинных реперов представлены на рис. 4. Из графиков видно, что о первый период (22 дня) после установки станции смещения контурного репера составили 5 мм, смещения второго репера, заложенного на глубине 1,5 м составили 1 мм, третий репер на глубине 3 м не сместился. В последующий период (21 день) смещения реперов прекратились, что свидетельствует о наборе прочности тампонажным камнем в трещинах.

Рис. 4. Графики смещений глубинных реперов о вертикальной скважино на нижней приемной площадке после упрочнения: а - во времени ; б - в зависимости от расстояния от контура выработки, 1, 2, 3 - номера реперов на глубине 0; 1,5 и 3 и.

Расчеты по вышеприведенной методике показали, что нагрузка на крепь после упрочнения при толщине упрочненной зоны 3,5 м снизилась с 0,63 до 0,24 МПа. Аналогичный результат получен при упрочнении пород на участке южного полевого штрека, пройденного в почве пласта «Безымянный».

5. Исследование и разработка методики определения конструктивных параметров крепи, использующей несущую способность упрочненного массива

Комбинированная крепь, представляющая собой облицовочно-несущую монолитную незамкнутую оболочку с коробовым или циркульным сводом, полученную с использованием передвижной изолирующей опалубки, равномерный слой упрочненных пород и вмещающий массиз в пределах расчетной области в одном из вариантов моделировалась дискретной плоскопространственной многослойной конструкцией, взаимодействие между отдельными элементами которой имитируется определенным образом ориентированными стержнями-связями.

На первом этапе использовалась универсальная модель линейно-деформируемой среды, основанная на стержневой аппроксимации объекта реальными конечными элементами, позволяющая оценивать напряженно-деформированное состояние вмещающего массива и взаимодействующих с ним элементов комбинированной крепи. Все компоненты в ней работают как единая деформируемая система о пределах расчетной области, ограниченной радиусом 2,58 • Я по периметру выработки, проведенным из точки пересечения вертикальной оси симметрии выработки с линией на уровне пят свода. Такие размеры расчетной области выбраны из соображений сохранения необходимой точности представления результатов и экономии оперативной памяти ЭВМ. Расчет выполнен с использованием метода начальных параметров.

В другом варианте рассматривалось конечно-элементное представление комбинированной крепи с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Применение МКЭ позволяет не ограничиваться рассмотрением симметричных задач и не накладывает ограничений на геометрию упрочненной зоны. Поэтому основные расчеты конструктивных параметров комбинированной крепи выполнены этим методом с использованием программного обеспечения МГГУ.

В результате расчетов было установлено, что основная несущая функция принадлежит упрочненному слою пород, облицовочная оболочка не является грузонесущей конструкцией. Это связано с тем, что ее т;ащина и прочностные свойства несопоставимы с аналогичными параметрами упрочненного слоя. При этом в качестве критерия устойчивости горной выработки принят безразмерный критерий в виде отношения площади условной зоны неупругих деформаций к площади поперечного сечения выработки. Показано, что устойчивость выработки может быть обеспечена путем создания оболочки упрочненных пород незамкнутой формы. Отсюда сделан вывод о целесообразности упрочнения пород почвы выработки лишь как средства борьбы с ее пучение,.!.

В общем случае задача определения параметров комбинированной крепи условно была разделена на две взаимосвязанные промежуточные подзадачи. Первая из них заключалась в определении необходимого соотношения деформационных и прочностных свойств упрочненных пород и пород в естественном состоянии (в массиве) . Вторая часть решения общей задачи состояла в определении оптимальных размеров и конфигурации оболочки упрочненных пород.

На рис. 5а представлены графики зависимости минимально необходимых значений показателя повышения прочности пород Д, от показателя повышения модуля деформации для различных величин коэффициента бокового распора Л.

Толщина зоны упрочнения при условии ее постоянства определяется по формуле

ТУ = 0,63Ц^ 5 пр , (6)

где Ту - толщина зоны упрочнения, постоянная по периметру выработки, м ; Эпр - площадь поперечного сечения выработки в проходке , м2; £ у- относительная толщина зоны упрочнения, определяется по графикам рис. 56 в зависимости от коэффициента структурного ослабления Кс и коэффициента устойчивости неупрочненного массива горных пород л, предложенного в Кузниишах-тострое Л.М. Ерофеевым.

Конфигурация зоны упрочнения по периметру выработки в боках и ее сводовой части корректируется коэффициентами аб и ас путем умножения на них величины Ту, определенной по формуле (6). При этом расход инъекционного раствора аналогично корректируется коэффициентом аг . Для определения коэффициентов а6,ас и а, получены следующие аппроксимирующие зависимости:

0 04 -ЮС —0,75) «<> = 1 + (1 - Л)(0,4 + >

Ре

-0,75)2)

ае = 1-2(1-Л.)е 2 У ;

-¡0,03(Д -1)+10(1 -0,75)г) а1 =1-(1 -Л)е ь у

(8) О)

Ра 1,4

1,3

1,2

1,1

1,0

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 п

Рис. 5. Графики для определения соотношений между показателями повышения прочностных и деформационных характеристик упрочненных пород (а) и относительной постоянной толщины зоны упрочнения (б):

1-1у=1,4; 2-1^=1,2; 3 - ^=1,0; 4- ^=0,8; 5- ^=0,6; 6- 1У=0,4; 7- ^=0.3. 8- 1у=0.

6. Обосноогчио конструктивных параметров металлической крепи с тампонажным межрамным огражденном 1

Металлическая арочная крепь широко применяется в России, Германии, Великобритании, Франции, Польше и других странах, где разработка угольных пластов идет на больших глубинах. В России большинство всех горизонтальных и наклонных выработок (80-86%) крепят металлической арочной крепью

Одной из основных причин неудовлетворительного состояния горных выработок являемся отсутствие надежного взаимодействия массива пород и крепи из-за образующегося при проведении выработок значительного по оСь-ему закрепного пространства. Глубина пустот за арочной крепью в среднем

составляет 0,2 - 0,3 м, а в случае перебора сечения или вывалов может достигать 0,6 м и более. В этих условиях не обеспечивается совместная деформация коепи и массива, в глубь которого развивается зона разрушенных пород, ухудшаются условия работы крепи, активизируется процесс смещений пород кровли, что приводит к исчерпанию податливости крепи, ее деформации с потерей несущей способности.

Как показывает опыт, при больших глубинах разработки в слабых вмещающих породах поддерживать подготовительные и капитальные выработки в течение всего срока их службы крепями без применения дополнительных мероприятий, как правило, практически невозможно.

Новая конструкция крепи состоит из металлических рам СВП, монолитного тампонажного межрамного ограждения с арматурной сеткой, ребер жесткости из твердеющего раствора, размещенных в полостях рзм. Межрамное ограждение и ребра жесткости выполнены из одного материала и представляют собой единое целое. Количество ребер жесткости определяется количеством рам СВП, устанавливаемых на 1 метр выработки. Металлические рамы выступают из монолитного межрамного ограждения внутрь выработки и при этом отоплены в него так, что внутренняя поверхность последнего расположена на уровне нижней кромки фланца СВП.

Для обеспечения работы монолитного слоя из твердеющего раствора и металлических рам в одинаковых условиях на последних возможна установка ограничителей податливости.

Крепь возводится при помощи инвентарной опалубки, специально разработанной для этой цели в Кузниишахтострое и навешиваемой на рамы СВП. Крепь обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными. При ее использовании работы по сооружению межрамного ограждения в значительной степени механизированы, затраты на возведение ниже. При сравнительно небольшом расходе материалов она обладает значительной несущей способностью и может с успехом конкурировать с широко применяемыми на практике металлической крепью с инвентарной железобетонной затяжкой и металпобе-тонной крепью. Ее применение открывает возможность экономии дефицитного металла за счет раздвижки рам СВП.

Расчет выполнен на основе метода расчета железобетонных конструкций с учетом того, что жесткая арматура в виде рам спецпрофиля является внешней по отношению к монолитному тампонажному ограждению. Учитывалась также и арматурная сетка, расположенная над спецпрофилем в тампо-нажном слое для повышения устойчивости крепи в продольном направлении. Эффект от попутного приконтурного упрочнения массива горных пород при возведении тампонажного межрамного ограждения оценивался отдельно по результатам натурных исследований в ходе опытно-промышленной проверки.

Исходными данными для прочностного расчета крепи являются прочность тампонажного камня на сжатие; номер используемого спецпрофиля; расстояние между рамами; диаметр стержней проволочной арматуры; прочность материала спецпрофиля и проволочной арматуры на сжатие и растяжение.

Суммарная площадь продольной арматуры определяется по формуле

р = d'c-w- А

ра

(h-S)-M-8)

4¡2

8а„

(10)

где Fa - суммарная площадь арматуры, мг; ссж-предел прочности на сжатие

тампонажного камня, МПа; сгра - предел прочности на растяжение арматуры, МПа; L - периметр межрамного ограждения, м; h - толщина межрамного ограждения, м\ 5 • толщина фланца спецпрофиля, м; q - ожидаемая нагрузка на крепь, МПа; /• шаг установки рам (м), удовлетворяющий условию / <2 (h-S) (Стсх/q)«.

Результаты расчета показывают незначительное влияние повышения прочности тампонажного камня на повышение несущей способности крепи (табл.6).

Таблица 6

Несущая способность крепи для однопутезой выработки

Расстояние между рамами, Несущая способность (МПа) при прочности тампонажного камня на сжатие, МПа

м 5 10 15 20

2,00 0,09 0,10 0,11 0,11

1,75 0,10 0,12 0,12 0,12

1,50 0,1 0,13 0,14 0,14

1,25 0,15 0,16 0,16 0,17

1,00 0,17 0,18 0,19 0,20

0,75 0,22 0,23 0,23 0,24

0,50 0,31 0,33 0,34 0,34

7. Разработка технологии крепления капитальных выработок на основе инъекционного упрочнения породного массива

Результаты исследований водоотдачи показали на возможность полного отфильтровывания жидкой фазы при цементации трещиноватых горных пород. С целью повышения плотности и прочности необводненного зацементированного породного массива жидкую фазу, отфильтровывающуюся из цементного раствора, целесообразно удалять из упрочненного массива. Удаление жидкой фазы из упрочняемого горного массива предложено осуществлять ' через дренажные скважины, пробуренные вокруг цементационных (а.с. 768990).

Результаты многочисленных исследований показывают, что коэффициент трещиноватости породного массива интенсивно уменьшается при удалении от контура выработки. Соответственно уменьшается и проницаемость массива. На практике это приводит к созданию вокруг скважины цементационной завесы в виде конуса с основанием, обращенным к контуру выработки, что требует увеличения числа цементационных скважин.

В КузГТУ предложен способ, заключающийся в бурении скважины и установке в ней инъектора с переменным гидродинамическим сопротивлением. Изменение гидродинамического сопротивления пропорционально изменению коэффициента трещиноватое™, которое определяется реометрическим или электрометрическим способом. Предложенный способ позволяет получать равномерное распределение гидродинамического сопротивления системы «скважина-массив» по длине скважины и, как следствие, равномерное распространение раствора от скважины. Идея предложенного способа может быть реализована путем увеличения гидродинамического сопротивления движению раствора в скважине в результате повышения концентрации раствора с помощью отвода его жидкой фазы из скважины одновременно с нагнетанием раствора посредством фильтрационного патрона (а.с. 1555493).

На основе результатов исследований, приведенных в предыдущих разделах, а также вышеприведенных технических решений разработаны технологические схемы последующего и предварительного инъекционного упрочнения в сочетании с традиционными типами крепей. Как первая стадия инъекционного упрочнения рассмотрена технология тампонажа закрепных пустот. Технологические схемы предусматривают упрочнение породного массива в сочетании с бетонной и металлической арочной крепями. При предварительном упрочнении обоснована технология возведения в забое выработки предохранительной тампонажной перемычки. Обоснованы основные параметры технологии нагнетания растворов: состав и концентрация, давление и режим нагнетания, длина и количество инъекционных скважин. При последующей цементации обосновано применение принципиально новых единичных расценок на нагнетание растворов, учитывающих изменение проницаемости упрочняемого массива.

На основе геомеханического обоснования конструктивных параметров комбинированной крепи «изолирующая оболочка + упрочненный массив» разработана технология ее возведения с применением передвижной изолирующей опалубки (а.с. 898083, 909189, 985304,1025894, 1027400, 1631182). В качестве опалубки предусмотрено использование модернизированной передвижной металлической опалубки ОМП конструкции Кузниишахтостроя.

При возведении крепи применяется следующее основное оборудование: передвижная (переставная) механизированная металлическая опалубка; оборудование для бурения цементационных скважин; набор (комплект) оборудования для приготовления и нагнетания сложных (цеменгно-песчаных, це-ментно-зольных и др.) растворов для заполнения заопаяубочмого пространства и цементных растворов для упрочнения окружающих .выработку трещиноватых горных пород; транспортные средства для подачи к месту выполнения работ материалов (цемент, инертные и активные наполнители и др.); наборы приборов и аппаратуры для исследования физико-механических свойств горных пород до и после их упрочнения, а также для определения необходимых свойств нагнетаемых растворов.

Учитывая необходимость разработки технологии возведения крепи с высоким уровнем механизации разработан опытный образец тампонажного комплекса УЦ-2. Комплекс предназначен для приготовления и нагнетания тампо-нажных и цементационных растворов в закрепное пространство и породный

массив. Комплект оборудования размещен на двух платформах. На одной платформе расположены растворосмеситель, перегружатель грейферный, сито, маслобак, привод маслостанции, пульт управления и магнитный пускатель. На второй платформе - привод маслостанции, маслобак, строительный насос с гидродвигателем, буровой насос с гидродЕигателем, магнитный пускатель и пульт управления. Рассмотрен вариант размещения оборудования на одной платформе. Производительность комплекса по приготовлению раствора - 6 м3/ч, по нагнетанию - 4 м3/ч.

Процесс возведения крепи включает следующие основные операции: демонтаж, механизированную перестановку и монтаж секций опалубки (число перемещаемых секций определяется величиной подвигания забоя выработки за цикл); герметизацию лризабойного торца и неплотностей между секциями опалубки; подготовку к работе цементационного оборудования; приготовление и нагнетание тампонажных растворов для заполнения пустот за опалубкой; бурение скважин для упрочнения горных пород; приготовление и нагнетание цементных растворов; промывку и профилактический осмотр цементационного оборудования; бурение и опробование контрольных скважин.

Герметизацию заопалубочного пространства осуществляют с помощью быстросхватывающихся растворов, пленочных материалов, рукавов типа «Буллфлекс» и других технологических приемов. Для повышения прочности и плотности облицовочно-несущей оболочки крепи из заопалубочного пространства в процессе тампонажа осуществляют регулируемый выпуск отфильтровывающейся жидкой фазы раствора через специально оборудованные отверстия (а.с. 1283404). С этой же целью предусмотрено удаление жидкой фазы из нагнетаемого раствора перед тампонируемым пространством через специальный фильтр-инъекгор (а.с. 1373822).

Принципиальная технологическая схема возведения комбинированной крепи с применением передвижной металлической опалубки и тампонажного комплекса УЦ-2 представлена из рис. 6.

На основе выполненных исследований разработана технология возведения металлической крепи с тампонажным межрамным ограждением, предусматривающая использование щитовой инвентарной опалубки (а.с. 1413247, 1580016, 1631181, 1773276, 1778310). Опалубка для заполнения твердеющими смесями пространства за крепью представляет собой секции щитов, соединенные внахлест друг с другом и с секциями соседних щитов. Секции щитов снабжены устройствами для соединения с металличесчими профилями арочной крепи и засовами, вставленными в ручки-скобы. Секции щитов представляют собой прямоугольную трапецию и соединяются между собой скошенными сторонами внахлест, образуя прямоугольную форму щита. Такая конструкция щитов обеспечивает герметичное соединение не только на закруглениях выработок, но и при непараллельной установке рам.

Для подачи раствора разработана конструкция бетоно-растворонасоса БНШ-10, опытные образцы которого изготовлены АООТ КОРМЗ и Кузниишах-тостроем. Производительность насоса : максимальная - 7 м3/ч, при наибольшем давлении 6 МПа - 3 м3/ч. Насос может быть использован в шахтах, опасных по газуй пыли, с площадью поперечного сечения выработок более 11,3м2.

Рис. б. Технологическая схема возведения крепи на основе

инъекционного упрочнения массива пород с применением передвижной изолирующей опалубки: 1 - опалубка; 2 - облицовочная оболочка; 3- инъекционная скважина; 4 - дренажная скважина; 5 • зона упрочненных пород; 6 - тампонажный комплекс УЦ-2.

Технология крепления горных выработок арочной металлической крепью с армированным тампонажным межрамным ограждением, создаваемым нагнетанием твердеющих смесей за инвентарную щитовую опалубку, предназначена для применения в составе технологии проходки протяженных горизонтальных и наклонных выработок буровзрывным и комбайновым способами и предусматривает замену традиционного способа возведения арочной металлической крепи с железобетонной затяжкой и тампонажом закрепного пространства твердеющими смесями.

Разработанная технология крепления (рис.7) включает следующие последовательно выполняемые операции: установку рам арочной металлической крепи и навеску решетчатой затяжки непосредственно в забое горной выработки; монтаж щитов инвентарной металлической опалубки на рамы металлической крепи непосредственно в забое выработки или с отставанием на 40-60 м в зависимости от способа проходки и коэффициента устойчивости горных пород; герметизацию торцевой части участка выработки со стороны забоя на границах заходок возведения тампонажного межрамного ограждения; приготовление и нагнетание твердеющих смесей для создания тампонажног о межрамного ограждения; промывку и профилактический осмотр тампонажного оборудования; демонтаж щитов инвентарной опалубки.

При проведении выработки в зоне неустойчивых горных пород после набора прочности межрамным ограждением могут быть выполнены работы по инъекционному упрочнению породного массива. Возведение межрамного ограждения позволяет выполнить эту операцию с минимальными затратами

Рис 7. Технологическая схсма оозаедснил металлической крепи с тампонажным межраиным ограждением: 1 - решетчатая затяжка; 2 - щптопап инвентарная опалубка; 3 - бетонорастворонасос; 4 - тампонажное межрамное ограждение.

С. Опытно-промышленные испытания и внедрение технологии креплемип выработок на основе инъекционного упрочнения породных массивов

Олытно-лромышленная проверка технологии инъекционного упрочнения массива горных пород в сочетании с традиционными типами крепей производилась в разные годы непосредственно в процессе проведения натурных исследований упрочняющего эффекта, результаты которых частично описаны в разделе 4.

Опытно-промышленная проверка технологичности возведения комбинированной крепи с использованием передвижной из6лируюа1ей опалубки проведена на участке околоствольного двора гор.-100 /.» нового скипового ствола шахты «Березовская» АО «Северокузбассуголь» , результаты которой показали соответствие фактически достигнутых технико-экономических показателей расчетным. Протяженность участка упрочнения - 30 а», площадь поперечного сечения выработки в свету - 15,9 м , в проходке - 16,9 м2, способ проходки -буровзрывной, тип заменяемой крепи - монолитный бетон. Эффективность применения данной технологии.подтверждена также на опытном участке выработки околоствольного двора гор.+120 м шахты «Киселевская».

Опытно-промышленная проверка технологии возведения металлической крепи с тампонажным межрамным ограждением осуществлена на участках капитальных выработок ш/у «Сибирское» АО «Северокузбассуголь», шахт «Есаульская» и «Юбилейная» АО «УК «Кузнецкуголь».

Выработки околоствольного двора гор.+65 м шахты «Есаульская» расположены на глубине 320 м. Для проведения производственного эксперимента выбрана однопутевая выработка с коробовым сводом сечением в свету 11,3 и в проходке 15,3 м2. По проесту ВНИИгидроуголь ее предполагалось крепить металлическими рамами СВП-22, установленными через 0,5 м, с железобетонной затяжкой.

С целью определения конструктивных и технологических параметров металлической крепи с тампонажным межрамным ограждением были выполнены расчеты с использованием ЭВМ. Расчеты производились для наиболее неблагоприятных горно-геологических условий участка. Коэффициент устойчивости для выработок околоствольного двора составил 0,45-0.72. В условиях принятой технологии возведения крепи вслед за подвиганием г^боя в зависимости от коэффициента структурного ослабления пород и типа выработки ожидаемая нагрузка на крепь составила 0,06 МПа. Проведенные по разработанной методике многовариантные расчеты позволили выбрать с запасом прочности шаг установки крепи через 1,0 м и решетчатую затяжку из проволоки 0 5 мм и размером ячейки 80 к 100 ми.

Возводили крепь в следующем порядке . На границе экспериментального участка устроили бутобетонную перемычку для предотвращения растекания раствора за границы участка. По мере подвигзния забоя устанавливали рамы крепи и укладывали решетчатую затяжку , служащую о начальный период предохранительной крепыо, а затем - арматурой межрамного ограждения. После проходки 10 м выработки устроили вторую бутобетонную перемычку, а затем на участке выработки между двумя перемычками набрали щитовую опалубку и через патрубки в секциях опалубки закачали тампоиажный раствор. После гздготовки следующего участка операцию по установке опалубки и на-тнетпнию раствора повторили.

Тампонажный раствор состава Ц:П:В = 1:2:1,5 готовили растворосмеси-телем в шахтном исполнении и нагнетали растворонасосом РН-6 на место производства работ На экспериментальном участке этой крепыо Сыно закреплено 30 м. Затем оборудование для приготовления и нагнетания было применено при сооружении выработок склада ВМ. Общая протяженность этих выработок составила 145 м. Из них 00 м площадью сечения в свету 19,2, в проходке - 23,5 мг, остальные соответственно 13,7 и 17,0 лтг. К началу проходки и возведения кропи в складе ВМ была изготовлена опалубка последней модификации, применение которой позволило значителоно упростить и облегчить операцию монтажа и демонтажа опалубки.

Технология возведения крепи на опытном участке путевого квершлага гор.-260 м шахты «Юбилейная» АО «УК «Кузнецхуголь» предусматривала установку арок металлической крепи, навешивание на нее металлической секционной опалубки, нагнетание тампонажной смеси в заопалубочное пространство. Тем самым формируется облицовочная оболочка путем омоноличивания рам крепи между собой и с горной породой. В процессе .заполнения заопалу-бочного пространства цементный раствор частично проникает в трещины при-коитурной зоны массива, что способствует формированию дополнительного несущего слоя из зацементированной породы. Возведенная таким образом

крепь состоит из трех слоео: металлического контура рамной крепи, тамло-нажной оболочки и зацементированной породы.

Технология возведения крепи на опытном участке аналогична технологии, примененной на шахте «Есаульская». Существенным отличием является применение растворобетононасоса БНШ-10 конструкции Кузниишахтостроя. Наличие БНШ-10 позволило нагнетать в заопалубочное пространство более густые, чем на шахте «Есаульская», тампонажные смеси и значительно увеличить производительность работ по возведению крепи.

Широкомасштабное внедрение технологии инъекционного упрочнения в сочетании с традиционными типами крепей в зонах геологических нарушений и при ликвидации аварий осуществлено на 29 шахтах Кузнецкого и Карагандинского угольных бассейнов. Общая длина участков тампонажа и инъекционного упрочнения составила 21300 м. Фактический экономический эффект, полученный от сравнения с перекреплением, составил в ценах 1990 года 15,415 млн.руб. Результаты внедрения подтверждены актами внедрения с технико-экономическими расчетами.

Заключение

В диссертационной работе разработаны теоретические положения по установлению закономерностей влияния инъекционного упрочнения на изменение физического состояния массива горных пород, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии геомеханических основ упрочнения массива горных пород, а также изложены научно обоснованные технические и технологические решения по креплению капитальных горных выработок, обеспечивающие их устойчивость и снижение трудоемкости поддержания.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему.

1. Трудоемкость крепления выработок в проходческом цикле занимает 30-60%. 35% капитальных горизонтальных выработок угольных шахт проходится в сложных горно-геологических условиях, значительная часть которых ежегодно перекрепляется. Применение перепет-,оного метода повышения устойчивости выработок путем инъекционного упрочнения массива горных пород сдерживается ввиду отсутствия его геомеханического обоснования, учитывающего водоотдачу тампонажных растворов,-

2. Установлено влияние водоотдачи на физико-механические свойства инъекционных растворов с вяжущим в виде портландцемента и ere заменителей. При этом показано, что основное изменение остаточного водоцементного отношения происходит при увеличении инъекционного давления до 0,5 МПа. Добавки жидкого стекла и бентонитового порошка уменьшают водоотдачу и увеличивают остаточное В:Ц с 0,21 до 0,25. Прочность тампонажного камня вследствие водоотдачи увеличивается в 2-4,5 раза в зависимости от первоначальной концентрации раствора. Прочность тампонажного камня, на основе фосфогипса при хранении в водной среде снижается в 2 раза и более.

3. Прочность упрочненных пород и сцепление с цементным камнем вследствие водоотдачи увеличивается в 2-5 раз в зависимости от концентрации нагнетаемого раствора и нелинейно зависит от содержания цементного камня в массиве. Увеличение прочности горных пород в массиве зависит от величины коэффициента структурного ослабления: так, при его величине, равной 0,2, прочность песчаников может быть повышена в 1,5-2 раза, алевролитов и аргиллитов - в 3-5 раз, угля - более чем в 10 раз.

4. По мере твердения тампонажного раствора смещения упрочненного массива горных пород и контура крепи прекращаются. В услоэчях сплошного сводообразования нагрузка на крепь после упрочнения может быть уменьшена в 3-5 раз в зависимости от размеров зоны нарушенных пород, а в условиях совместного деформирования - в 3-6 раз.

5. Сформулированы требования к изменению физико-механических свойств массива горных пород, обеспечивающие возможность применения комбинированной крепи «облицовочно-несущая оболочка + упрочненный массив». Предпочтение следует отдавать инъекционным растворам, обеспечивающим максимальные прочностные и минимальные деформационные ха-рак. эристики. Несущая способность комбинированной крепи может быть оценена безразмерным критерием устойчивости в виде отношения площади условной зоны неупругих деформаций к площади поперечного сечения выработки, а критерием оценки ее технико-экономических показателей - отношение площади зоны упрочнения к площади поперечного сечения выработки. При неравнокомпонентном поле напряжений толщина зоны упрочнения изменяется по периметру сечения выработки. Упрочнение почвы целесообразно только в случае ее пучения.

6. При возведении металлической крепи с тампонажным межрамным ограждением его необходимо армировать металлической сеткой с волнообразной установкой. Прочность тампонажного камня незначительно влияет на несущую способность крепи, которая увеличивается за счет частичного упрочнения приконтурной зоны пород в процессе тампонажа заопалубочного пространства.

7. Разработанные технологические схемы инъекционного упрочнения массива горных пород, включающие в себя ряд технических решений по учету водоотдачи тампонажных растворов, разработанные конструкции передвижной и щитовой инвентарной опалубок, а также специальных комплексов тампонажного оборудования, обеспечивают устойчивость и снижение трудоемкости крепления выработок.

в.Зффекгивность разработанных технологических схем по возведению комбинированной крепи и металлической крепи с тампонажным межрамным ограждением подтверждена положительными результатами их опытно-промышленной проверки на пяти участках выработок околоствольных дворов. Эффективность технологических схем инъекционного упрэчнения пород в сочетании с традиционными типами крепей подтверждают положительные результаты широкомасштабного внедрения на 29 шахтах Кузнецкого и Карагандинского угольных бассейнов с общей протяженностью участков тампонажа закрепных пустот и инъекционного упрочнения массива 21300 м. Полученный

фактический экономический эффект в ценах 1990 г. составляет 15,415 мпн.руб.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Хямяляйнен В.А., Бурков Ю.В., Сыркин П.С. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок. - М.: Недра, 1994.- 400 с.

2. Совершенствование предварительной цементации водоносных скальных пород в Кузбассе/ Е.ПДуда, Г.И.Комаров, Ю.В.Бурков, Б.А.Корецпй, Н.В.Федороа// Совершенствование технологии сооружения горных выработок : Сб. науч.тр./ Куз-басс.политехн. ин-т,-Кемерово, 1970. - №24,- С.19-26.

3. Дуда Е.Г., Бурков Ю.В. Цементация горных пород для улучшения условий проведения и поддержания горных выработок II Пути ускорения строительства и реконструкции предприятий угольной промышленности: Тез. докл. Всес.науч.конф.-Кемерово, 1974. - С. 129-130:

4. Дуда Е.Г., Бурков Ю.В., Курапов А.Ф., Понасенко Л.П. Исследования физико-механических свойств горных пород, упрочненных цементацией // Труды Кузнии-шахтостроя,- Кемерово, 1975,- Вып.14.-С. 122-131.

5. Бурков Ю.В., Курапов А.Ф.- Исследования состояния массива упрочненных пород в натурных условиях II Труды Кузниишахтостроя.- Кемерово, 1976. - Вып. 15.-С. 48-54.

6. Бурков Ю.В., Дуда Е.Г. Упрочнение горных пород цементацией вокруг капитальных горных выработок // Крепление, поддержание и охрана горных выработок: Сб.науч.тр./ ИГД СО АН СССР. - Новосибирск, 1979,-С.67-70.

7. Бурков Ю.В., Федоров Н.В. Водоподавление и упрочнение горных пород цементацией// Строительство предприятий угольной промышленности: Науч.-техн. реф.сб./ ЦНИЭИуголь, ЦБНТИ Минуглепрома УССР. - М.,1980. - № 1(252).-С.15-17.

8. Бурков Ю.В., Дуда Е.Г., Хямяляйнен В.А, Технологические схемы упрочнения массивов торных пород//Строительство предприятий угольной промышленности: Науч.-техн.реф.сб./ ЦНИЭИуголь, ЦБНТИ Минуглепрома УССР.-М.,1980.-№10 -С.26,

9. Дуда Е.Г., Бурков Ю.В., Хямяляйнен В.А. Упрочнение горных пород цементацией на шахтах Кузбасса // Проведение и крепление горных выработок о условиях неустойчивых горных пород: Тез.докл.Всес.семинара,- Павлоград.-М..1978.-С.44-48.

10. Дуда Е.Г,, Бурков Ю.В., Росстальной Е.Б. Применение укрепительной цементации в капитальных горных выработках на шахте «Тентекская» п/о «Карагандауголь» //Труды Кузниишахтостроя.- Кемерово,1979.-Вып.18.-С.ЗЗ-42.

11. Упрочнение горных пород при сооружении главного квершлага шахты «Бунгурская»/ БДДиденко, A.M. Суворов, Ю.В:Бурков, В.А.Жеребцоэ II Шахтное строительство - 1S84.- № 7. - С. 26-28.

12. Бурков Ю.В., Дуда Е.Г. Об упрочнении горных пород на шахтах Кузнецкого и Карагандинского угольных бассейнов If Шахтное строительство. - 1985.- Na 6.-С.14-15.

13. Производство тампонажных работ при ликвидации аварийного состояния горных выработок :Обзор / Ю.В.Бурков, Г.И.Комаров, В.А.Жеребцов, Л.П.Понасенко// ЦНИЭИуголь, ЦБНТИ Минуглепрома УССР, - М., 1985.-Вып. 7.-30 с.

14. Бурков Ю.В., Комаров Г.И. Закрепные тампонажные перемычки II Шахтное строительство.-1989,- №1. - С.15-16.

15. Бурков Ю.В.. Хямяляйнен В.А., Сыркин П.С. Направления совершенствования технологии инъекционного упрочнения пород вокруг выработок /I Шахтное строительство.-1989 №4.^- С. 17-20.

16. Тампонажныз работы на участке нового скипового ствола шахты «Коксовая» НПО «Прокопьевскгидроуголь»/ Ю.В.Бурков, Г.И.Комаров, ВАЖеребцов, В.И.Тихонов, А.Д.Куимов II Шахтное строительство. -1989 № 7. -С. 22-24.

17. Бурков Ю.В. Применение ресурсосберегающих технологий цементации породных массивов в капитальных горных выработках// Повышение технического уровня проектов, строительного производства и эффективности научных разработок МУП СССР .'Материалы науч.-практ.конф. - Кемерово, 1989. -С. 136-138.

18. К вопросу использования рам СВП в качестве жесткой арматуры монолитной крепи / Ю.В.Бурков, В.М.Удовиченко, СА.Бачурин, ПАПилевский // Управление состоянием массива горных пород : Сб. науч.тр./ Асс. « Кузбассуглетехнология».-Кемерово, 1990,- С. 94-100.

19. Хямяляйнен В.А., Бурков Ю.В., Сыршн П.С. Совершенствование норм времени на нагнетание цементных растворов при последующем упрочнении горных пород // Подземное и шахтное строительство. -1991. - № 1,- С. 20-21.

20. Технология возведения метаплобетонной крепи в горных вырзботках с использованием щитозой инвентарной опалубки / Ю.В.Бурков, В.А.Хямяляйнен, С.М.Простов, А.Ф.Агафонов // Перспективы развития горнодобывающей лромыш-леь-юсти: Тез.докл. IY международной науч.-практич. конф. - Новокузнецк, 1997. -С. 172-173.

21. Бурков Ю.В., Пипевский П.А., Бачурин С.А. Исследование влияния конфигурации зоны упрочнения пород на ее напряженное состояние // Совершенствование техники и технологии шахтного строительства : Сб.науч.трудов/ Кузниишахтострой.-Кемерово, 1989,-С. 18-23.

22. Бурков Ю.В. Технология возведения сталебетонной крепи в горных выработках с использованием щитовой инвентарной опалубки //Уголь. - 1990,-112 2.-С. 31-33.

2С A.c. 768990 СССР, МКИ Е21 Д1/16. Способ упрочнения горных пород/ Г.И.Комаров, Е.Г.Дуда, Ю.Б.Бурков, В.А.Хямяляйнен (СССР).-№ 2181552/22-03; Зз-явл. 16.10.75; Опубл. 07.10.S0; Бюл. №37. -С. 127.

24. A.c. 898083 СССР, МКИ У 21 Д11/00. Способ возведения крепи горных выработок/ Ю.В.Бурков, Е.Г.Дуда, Г.И.Комаров, ВАХямяляйнен (СССР).-№2923275/22-03; Заяел.12.05.80; Опубл.15.01.82; Бюл.№2,-С. 159.

25. A.c. 909189 СССР, МКИ Е21 Д11/00. Способ крепления горных выработок/Н.Д.Лазаревич, Ю.В.Буркон, Е.Г.Дуда (СССР).-№ 2939587/22-03; Заявл. 09.06.80; Опубл. 05.03.82; Бюл. N2 8. - С. 15Э.

26. A.c. 985304 СССР, МКИ Е21 Д 11/00. Способ возведения крепи горных вы-работок/В.А.Хямяляйнен, Е.Г.Дуда, Ю.В.Бурков, Г.И.Комаров (СССР),-Ш 2953033/2203; Заявл. 02.07.00; Опубл. 30.12.S2; Бюл. №48. - С. 136

27. A.c. 1025894 СССР,МКИ Е 21 Д 11/10. Способ возведения крепи горной пыработки/В.А.Хямяляйнен, ВД.Дулин, Ю.В.Бурков, Е.Г.Дуда, Е.Б.Росстальиой (СССР).-№ 3414565/22-03 ; 3аявл.31.03.82; 0публ.30.08.83; Бюл, N9 2 .-С. 102,

28. A.c. 1027400 СССР, МКИ Е21 Д11/00. Способ возведения крепи горных выработок/Ю.В.Бурков, В.Д.Дулин, Е.Г.Дуда, Е.Б, Росстальной (CCCP).-Na 3*05573/2203; Заявл. 10.03.82; 0публ,07.07.83; Бюл. Na 25 - С. 122,

29. A.c. 1198208 СССР, МКИ Е21Д1/16. Способ тампонирования гордых пород /Г.И.Комаров, Ю.В,Бурков, В АЖеребцов (СССР)-№365784/22-03: Заявл. 27 01.84; Опубл. 15.12,65; Бюл. № 46. - С. 129.

30. A.c. 1283404 СССР, МКИ Е 21 Д 11/10. Опалубка для возведения крепи подземных выработок / Г.И.Комаров, Ю.В.Бурков, В.А.Жеребцов, Л.П.Понасенко (СССР).-№ 3909287/22-03; Заявл. 12.06.85; 0публ.15.01.87; Бюл. № 2. - С. 131.

31. A.c. 1373822 СССР,МКИ Е21 Д 11/00. Способ нагнетания твердеющих смесей на основе цемента /Ю.В.Бурков, Г.И.Комаров, Л.П.Понасенко, Г.Я.Олендер,

B.А.Жеребцов (CCCP).-Ns 4098094/22-03; Заяэл.24.07.86; 0публ.15.02.88; Бюл.№6.-

C. 108.

32. A.c. 1413247 СССР, МКИ Е 21 Д 20/00. Способ тампонирования закрепного пространства горных выработок/Г.И.Комаров, Ю.В.Бурков, Л.П.Понасенко, Г.Я.Олендер (СССР).-№4078829/22-03; Заявл. 17.06.86; Опубл. 30.07.88; Бюл. Na 28,- С. 130.

33. A.c. 1456585 СССР, МКИ Е 21 Д 1/16, 20/00. Способ тампонажа горных пород с неоднородной трещиноватостью / А.В.Угляница, В.А.Хямяляйнен, Е.Г.Дуда, Ю.В.Бурков(СССР).-№ 42Э7657/22-03;Заявл. 12.03.87; Опубл. 07.06.89; Бюл. № 5,-С.144.

34.А.С. 1537818 СССР, МКИ Е 21 Д 11/10.Способ крепления горных выработок /А.В.Угляница, П.М.Гоголев, А.И.Петров, Ю.В.Буркоо (СССР).-№ 4396156/23-03; Заявл. 24.03.88; Опубл. 23.01.90; Бюл. № 3. - С. 149

35. A.c. 1555493 СССР, МКИ Е 21 Д 1/16, Е 21 В 33/12. Способ цементации горных пород/ А.В.Угляница, ВАХямяляйнен, Ю.В.Бурков, А.И.Петров, П.С.Сыркин(СССР).- Na 4830727/23-03; 3аявл.23.11.87; 0публ.07.04.90; Бюл. № 13,-С. 154.

36. A.c. 1580016 СССР, МКИ Е 21 Д 11/10.Инвентарная опалубка для заполнения пространства за крепью/ Ю.В.Бурков, В.А.Жеребцов, П.А.Сыркин, Г.Й.Комаров, Г.Я. Олендер, САФирссз (СССР).-№ 4392382/23-03; 3аявл.15.03.88;0публ. 23.07.90; Бюл. № 27. - С. 127.

37. A.c. 1631181 СССР, МКИ Е 21 Д 11/10. Крепь горных выработок/Ю.В.Бурков, Г.И.Комаров, САБачурин, ПАПилевский (СССР).-№ 4624841/03; Заявл. 14.11.88; Опубл. 28.02.91; Бюл. N2 8. - С. 87.

38. A.c. 1631182 СССР, МКИ Е 21 Д11/10. Породная крепь горных выработок / Ю.В.Бурков, Г.И.Комаров, САБачурин, П.А.Пилевский (СССР).-№ 4624982/03; Заявл. 14.11.88; Опубл. 28.02.91; Бюл. № 8.- С. 88.

39. A.c. 1719646 СССР, МКИ Е 21 Д 11/10.Инвентарная опалубка для заполнения пространства за крепью I Ю.В.Бурков, Г.Й.Комаров, В.А.Жеребцов, Г.Я.Олендер(СССР).-№ 4802054/03; Заявл. 14.03.90; 0публ.15.03.93; Бюл. № 10.-С.130.

40. A.c. 1772353 СССР, МКИ Е 21 Д 11/00. Инвентарная опалубка для заполнения пространства за крепью/Ю.В.Бурков, Г.Й.Комаров, С.А.Фирсов, Г.Я.Олендер (CCCP).-Na 4802048/03; Заявл. 14.03.90; Опубл.ЗО.Ю.92; Бюл. №4. - С. 112.

41. Патент Ыз 1773276 A3, МКИ Е 21 Д 11/10. Инвентарная опалубка для заполнения пространства за крепью/Ю.В.Бурков, Г.И.Комаров, В.А.Жеребцов, A.A.Никитин . - №4864801/03; Заяал. 06.09.90; Опубл. 30.10.92; Бюл. № 40,- С.206.

42. Патент № 1778310 А1, МКИ Е 21 Д 11/10. Способ сооружения горных выработок / Ю.В.Бурков, Г.И.Комаров, А.А.Никитин.-№ 4865698/03; Заявл. 09.07.90; Опубл. 30.11.92; Бюл. № 44. - С. 90.

43. Патент № 2065055 С!, МКИ Е 21 Д 11/00. Способ крепления выработки / В А. Хямяляйнен, С.М. Простое, Ю.В. Бурков, В.М. Удовиченко. - № 94008783/03; Заявл. 14.03.94; Опубл. 10.08.96; Бюл. № 22. - С. 86.



Министерство топлива и энергетики Российской Федерации

Кузбасский научно-исследовательский институт шахтного строительства

На правах рукописи

БУРКОВ Юрий Васильевич

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ

КРЕПЛЕНИЯ КАПИТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК НА ОСНОВЕ ИНЪЕКЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальности:

05.15.04 - «Строительство шахт и подземных сооружений» 05.15.11 - «Физические процессы горного производства»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

докт.техн.наук, проф. В.А.Хямяляйнен

Кемерово 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................. 6

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ТЕХНОЛОГИИ КРЕПЛЕНИЯ

КАПИТАЛЬНЫХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК.......... 14

1.1. Анализ современных технологий возведения крепи при сооружении капитальных горизонтальных горных выработок........ 14

1.2. Анализ применения инъекционных технологий при сооружении капитальных горизонтальных горных выработок........................... 24

Выводы, цель и задачи исследований................................................... 33

2. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

СВОЙСТВ ИНЪЕКЦИОННЫХ РАСТВОРОВ....................................... 35

2.1. Инъекционные растворы на основе цемента................................ 35

2.2. Инъекционные растворы на основе заменителей цемента........ 48

Выводы...................................................................................................... 57

3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УПРОЧНЕННЫХ ГОРНЫХ

ПОРОД...................................................................................................... 59

3.1. Методика лабораторных исследований........................................ 59

3.2. Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований.................................................................................................. 62

3.3. Прогнозирование физико-механических свойств упрочненных горных пород в натурных условиях................................................. 80

Выводы.................................................................................................... 84

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИНЪЕКЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ

НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ПОРОДНОГО МАССИВА................ 86

4.1. Выбор критерия влияния инъекционного упрочнения на несущую способность породного массива........................................... 86

4.2. Оценка влияния инъекционного упрочнения на величину нагрузки, воспринимаемой крепью в условиях сводообра-зования.............................................................................................. 91

4.3. Оценка влияния инъекционного упрочнения на величину нагрузки, воспринимаемой крепью в условиях совместного деформирования............................................................................... 95

4.4. Выбор и разработка физической модели для исследования несущей способности упрочненных горных пород................... 99

4.5. Обработка и анализ результатов лабораторных исследований несущей способности массива упрочненных горных пород... 106

4.6. Натурные исследования влияния инъекционного упрочнения

на устойчивость выработок........................................................... 121

4.6.1. Условия и методика проведения натурного эксперимента 121

4.6.2. Обработка и анализ результатов натурного эксперимента 125 Выводы..........................................................................................................................................................................................................140

5. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ УПРОЧНЕННОГО МАССИВА........................142

5.1. Разработка модели комбинированной крепи, использующей несущую способность массива..............................................................................................................142

5.1.1. Многослойно-стержневое представление......................................................142

5.1.2. Конечно-элементное представление......................................................................147

5.1.3. Обоснование критерия несущей способности крепи..................156

5.2. Разработка программного обеспечения численной реализации модели комбинированной крепи..........................................................................................................159

5.2.1. Автоматизированное формирование моделей крепи..................159

5.2.2. Отображение физико-механических свойств массива на модели в автоматизированном режиме............................................................162

5.2.3. Сравнительный анализ моделей комбинированной крепи 162

5.3. Обоснование выбора рациональной конфигурации зоны упрочнения................................................................................................................................................................................165

5.3.1. Исследование функциональной роли облицовочной оболочки................................................................................................................................................................165

5.3.2. Разработка оптимизационной модели и алгоритма ее реализации........................................................................................................................................................172

5.4. Методика определения конструктивных параметров при инъекционных методах возведения крепи..........................................................................183

5.4.1. Исследование влияния геометрических параметров

зоны упрочнения........................................................................................................................................183

5.4.2. Исследование влияния горно-геологических факторов..........192

5.4.3. Графическая интерпретация и подбор аппроксимирующих зависимостей..............................................................................................................................195

Выводы............................................................................................................................................................................................................204

6. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КРЕПИ С ТАМПОНАЖНЫМ МЕЖРАМНЫМ ОГРАЖДЕНИЕМ............................................................................................................................................................................205

6.1. Разработка конструкции крепи..............................................................................................................205

6.1.1. Тенденция развития крепления выработок арочной металлической крепью................................................................................................................205

6.1.2. Конструкция крепи..........................................................................................................210

6.2. Анализ методов расчета рамных и монолитных крепей..............................212

6.2.1. Статический расчет..........................................................................................................................212

6.2.2. Прочностной расчет............................................................................................................................214

6.3. Обоснование расчетной схемы и способа оценки несущей

способности крепи........................................................................................................................................................219

6.3.1. Разработка расчетной схемы крепи......................................................................219

6.3.2. Обоснование способа оценки несущей способности

крепи........................................................................................................................................................................220

6.4. Численное моделирование работы крепи........................................................................223

6.4.1. Разработка программы для прочностного расчета крепи 223

6.4.2. Установление закономерностей изменения несущей способности крепи............................................................................................................................226

6.4.3. Разработка рекомендаций по выбору конструктивных параметров крепи..............................................................................................................................230

Выводы........................................................................................................................................................................................................235

7. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КРЕПЛЕНИЯ КАПИТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК НА ОСНОВЕ ИНЪЕКЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА........................................................................ 237

7.1. Технология инъекционного упрочнения породного массива в сочетании с традиционными типами крепей................................. 237

7.1.1. Технические решения по совершенствованию технологии инъекционного упрочнения.......................................... 237

7.1.2. Технологические схемы инъекционного упрочнения........ 240

7.2. Технология возведения комбинированной крепи с использова-

нием передвижной изолирующей опалубки....................................................................254

7.2.1. Конструкция механизированной передвижной опалубки. 255

7.2.2. Тампонажный комплекс..............................................................................................................259

7.2.3. Технология возведения крепи........................................................................................261

7.3. Технология возведения металлической крепи с тампонажным

межрамным ограждением с использованием щитовой инвентарной опалубки..........................................................................................................................................................269

7.3.1. Щитовая инвентарная опалубка................................................................................269

7.3.2. Арматурная решетчатая затяжка..............................................................................273

7.3.3. Оборудование для приготовления и нагнетания тампонажного раствора..........................................................................................................275

7.3.4. Технология возведения крепи............................................ 277

Выводы.................................................................................................... 284

8. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КРЕПЛЕНИЯ ВЫРАБОТОК НА ОСНОВЕ ИНЪЕКЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ПОРОДНЫХ МАССИВОВ......... 285

8.1. Опытно-промышленные испытания технологии возведения комбинированной крепи с использованием передвижной изолирующей опалубки........................................................................ 285

8.1.1. Методика проведения испытаний...................................... 285

8.1.2. Результаты испытаний на участке выработки околоствольного двора гор.+120 м ш. «Киселевская».............. 285

8.1.3. Результаты испытаний на участке выработки околоствольного двора гор.-100 м ш. «Березовская»................ 294

8.2. Опытно-промышленные испытания технологии возведения металлической крепи с тампонажным межрамным ограждением с использованием щитовой инвентарной опалубки.......... 301

8.2.1. Результаты испытаний на участках выработки околоствольного двора и склада ВМ ш. «Есаульская»............. 301

8.2.2. Результаты испытаний на участке путевого квершлага

гор.-260 м ш. «Юбилейная»................................................ 304

8.2.3. Оценка технической возможности применения на участках выработок околоствольного двора дренажной шахты

№ 6 разреза «Бородинский»........................................... 312

8.3. Внедрение технологии инъекционного упрочнения породного массива в сочетании с традиционными типами крепей.......... 317

8.4. Технико-экономическая эффективность внедрения результатов исследований.................................................................................. 327

Выводы..................................................................................................... 337

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................... 338

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................................ 341

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................................. 357

ВВЕДЕНИЕ

В связи с увеличением глубин ведения горных работ, отработкой легкодоступных месторождений полезных ископаемых возрастает протяженность капитальных горных выработок, проводимых в сложных гидрогеологических и горно-геологических условиях. Об этом свидетельствует выполненная в ИГД им. A.A. Скочинского оценка структуры отечественных запасов угля [ 83 ] , которая позволила установить степень благоприятности их выемки (к таковым были отнесены запасы угля, характеризующиеся пластами мощностью более 1,2 м с углами падения менее 35° и при незначительной тектонической нарушенности ). На действующих шахтах к благоприятным отнесено менее 50% запасов угля. В основном они сконцентрированы в Кузнецком и Печорском угольных бассейнах. Однако и в этих регионах, содержащих благоприятные запасы (соответственно 75 и 81% от суммарной возможности фонда), в отработку вовлечены многочисленные шахтные поля с неблагоприятными для выемки запасами угля. На действующих горизонтах шахт, разрабатывающих пологие пласты, от 20 до 50%, (а на шахтах, где добывается уголь из наклонных и крутых пластов, даже до 70-100%) промышленных запасов приходится на пласты со сложными горногеологическими условиями, для разработки которых в отечественной и мировой практике отсутствуют эффективные технологии. На угольных предприятиях, длительное время не подвергавшихся реконструкции, протяженность поддерживаемых выработок в 2-3 раза больше, чем это необходимо по технологическим требованиям: за последние 15 лет произошло их увеличение с 50,8 до 95,6 м на 1000 тонн годовой добычи угля.

Увеличение протяженности капитальных горизонтальных выработок, проводимых в неустойчивых породах, на угольных шахтах за последние 10 лет привело к повышению трудоемкости крепления выработок в 3,7 раза и расхода металла в 2 раза.

В зависимости от назначения, срока службы выработки и физико-механических свойств горных пород с учетом требований к крепи и крепеж-

ным материалам в настоящее время применяют металлические, монолитные и сборные бетонные и железобетонные, набрызг-бетонные и анкерные крепи. В отдельных случаях все еще находит применение деревянная крепь. В угольной промышленности до настоящего времени основным видом крепи является металлическая, в горно-рудной - набрызг-бетонная и анкерная. Монолитная бетонная и железобетонная крепи широко распространены в выработках околоствольных дворов, в гидротехнических и автодорожных тоннелях.

Практика показывает, что в общих затратах труда и времени в проходческом цикле процесс крепления занимает 30-60% в зависимости от технологии и средств механизации горно-проходческих работ. Техническая и экономическая несостоятельность применяемых в угольной промышленности конструкций крепей и способов их возведения обусловили разработку новых видов крепи. С целью обеспечения надежной работы крепей и повышения устойчивости горных выработок в сложных горно-геологических условиях в последние годы все в больших объемах применяются тампонаж закрепного пространства и инъекционное упрочнение приконтурного массива.

Исследованием тампонажа трещиноватых пород и инъекционным укреплением грунтов занимаются в МГУ, СПбГИ, ИГД им. А.А.Скочинского, НИИОСПе, ПО «Спецтампонажгеология», концернах «Днепрошахтострой», «Кузбассшахтострой», ДонУГИ, МГГУ, МакИСИ, Свердловском горном институте, КузГТУ и Пермском политехническом институте, Гидроспецпроекте, ВНИИГе им. Б.Е.Веденеева, ЦНИИСе, НИИОМШСе, ВИОГЕМе, Кузниишах-тострое и некоторых других научно-исследовательских и производственных организациях.

Анализ результатов выполненных исследований показывает, что технология инъекционного воздействия на массив растворами на основе вяжущего развивалась в основном применительно к созданию противофильтра-ционных завес. При этом разработаны теоретические основы гидродинамики стабильных и нестабильных тампонажных растворов и рекомендации по технологии и режимам закачки растворов. Основными причинами, сдержи-

вающими применение инъекционного упрочнения как способа повышения устойчивости выработок, являются отсутствие геомеханического обоснования крепления выработок с учетом водоотдачи тампонажных растворов под давлением, отсутствие конструкций и технологии возведения изолирующих оболочек вокруг выработок, а также работоспособных тампонажных комплексов для ведения инъекционных работ.

На основании вышеизложенного представляется актуальной разработка теоретических положений по установлению закономерностей изменения свойств упрочненного массива и конструктивных параметров крепей на основе инъекционного упрочнения массива, а также научно обоснованных технических и технологических решений по их возведению.

Цель работы - обоснование параметров технологии крепления капитальных выработок на основе инъекционного упрочнения массива горных пород, обеспечивающих устойчивость и снижение трудоемкости поддержания выработок.

Основная идея работы заключается в использовании закономерностей изменения физико-механических свойств растворов и упрочненных пород под инъекционным давлением при геомеханическом обосновании и разработке инъекционных технологий возведения крепи.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе установлено влияние инъекционного давления на физико-механические свойства раствора и упрочненных пород. Оценено влияние инъекционного упрочнения на несущую способность массива горных пород. Обоснованы конструктивные параметры инъекционных крепей. Разработаны технологические схемы крепления капитальных выработок на основе инъекционного упрочнения массива горных пород, учитывающие водоотдачу тапонажных растворов.

Методы исследования. Установление закономерностей изменения физико-механических свойств инъекционных растворов и упрочненных горных пород осуществлено путем лабораторных экспериментальных исследований по специально разработанным методикам с использованием стан-

дартных методик испытания материалов и методов математической статистики. Оценка влияния инъекционного упрочнения на несущую способность массива горных пород, обоснование конструктивных параметров инъекционной крепи и металлической крепи с тампонажным межрамным ограждением осуществлено с использованием методов механики сплошных сред, методов расчета железобетонных строительных конструкций , численных расчетов на ЭВМ, крупномасштабных лабораторных и натурных экспериментальных исследований. Разработка технологических схем крепления выработок осуществлена на основе анализа и обобщения результатов аналитических, ла