автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Установление параметров технологии инъекционного упрочнения породных массивов тонкодисперсными цементами

 1Г>

СП

СП

в=С

О

-<с

ш

и— иэ

О- ■■—

На правах рукописи

ОГАНЕСЯН Армии с Сеирановна

УДК 622.023:624.138.24

УСТАНОВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЙ ИНЪЕКЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ПОРОДНЫХ МАССИВОВ ТОЙК0ДНСПЕРСНЫММ ЦЕМЕНТАМИ

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. КУЗЬМИН Е. В. Официальные оппоненты: докт. техн. паук, проф. КУЗНЕЦОВ Ю. Н., канд. техн. наук, ст. науч. сотр. ГАЛКИН В. А.

'Ведущее предприятие — институт «Гипроцветмет».

Защита диссертация состоится « 1995 г.

в г/С^"час. на заседании диссертационного совета К-053.12.02 Московского государственного горного университета по адресу: 117935, ГСП, Москва, В-49,-Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » . . 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доц. КОРОЛЕВА В. Н.

ОБЯЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темд Большинство рудных месторождений представлено горными породами со значительной трещиноватостыо, которая развивается по мере веления горных работ.

Из-за неблагоприятных горно-геологических условий (низкой устойчивости пород, вывалов, проявлений горных ударов) усложняется отработка залежей крупнейших металлических месторождений, таких как Жезказганский, НорилъсгаЛ, к'иргалимсайский ГМК, Таштагольское РУ и других.

Для обеспечения безопасного ведения подземных горных работ необходимо поддержание кровли очистного пространства и крепления подготовительных, нарезных и проходческих выработок.

Из существующих методов упрочнения горных пород наиболее перспективными являются крепление анкерами и упрочняющими составами. Они относятся к активным видам крепей и повышают собственную прочность и устойчивость породного массива. При использовании инъекционного упрочнения горных пород это достигается путем нагнетания в тревдтаы между блоками-отдельностями массива специальных упрочняющих составов, скрепляющих отдельности друг с другом, чем образуется монолитный породный конгломерат.

В данной работе рассматривается возможность использования тонкодисперсных цементных растгоров для упрочнения трещиноватых массивов, вметающих очистные и подготовительные выработки при подземной разработке рудных месторождений.

Выбор тонкодисперсных цементов сделан потому, что цемент дешевле полимерных смол в несколько раз, не дефицитен, нетоксичен и по проникающей способности близок к полимерным смолам.

Сырьем для получения высокопроникающих тонкодисперсных цементных растворов являются портландцементы, производимые отечественными заводами, доменные шлаки, различные добавки пда *

Из изложенного выше следует, что вопрос повышения устой- 1 -

чивости горных пород вокруг выработок путем упрочнения их тонкодисперсными цементами в современных условиях перехода на большие глубины является крупной научно-технической задачей.

Целью работы является установление зависимостей параметров нагнетания и размеров зон распространения тонкодисперсных цементных растворов от их вязкости, плотности, физико-механических свойств массива для выбора наиболее рациональных параметров технологии и технологических схем инъекционного упрочнения горных пород и параметров технологии.

Идея работы заключается в применении тонкодисперсиых цементов с высокой проникающей способностью для наибольшего заполнения раствором трещин породных массивов при разработке рудных месторождений и, следовательно, достижения более высокой последующей прочности породного массива

Научные положения, разработанные лично автором, м их новизна;

размеры зоны распространения тонкодисперсных цементных растворов при нагнетании в трещиноватые горные породы пропорциональны ширине раскрытия трещин, начиная от 0.02 мм, вязкости, плотности раствора;

рациональные давление и темп нагнетания тонкодисперсных цементных растворов при условии турбулентности потоков в трещинах выше на 15%, чем i ри нагнетании гомогенных полимерных составов в ламинарном ре» its с максимальным насыщением массива;

параметры технологии и технологических схем при инъекционном упрочнении трещиноватых пород тонкодисперсными цементными растворами, в отличие от упрочнения полимерными составами, устанавливаются с учетом седиментации частиц цемента в трещинах.

Достоверность научны» положений, кнподпв и рекомендаций

подтверждается большим объемом лабораторных исследований, методами обработки данных с помощью математической статистики, регрессионного анализа, компьютерного моделирования закономерностей распространения составов в массиве трещиноватых горных пород и сопоставлением их с ранее полученными результатами производственных испытаний (расхождение 15-20Х).

Научное значение работы заключается в установлении за- О -

висимостей параметров инъекционного упрочнения тонкодисперсными цементными растворами от характеристик упрочняющего раствора, ширины раскрытия и шероховатости трещин для обоснования параметров технологии инъекционного упрочнения трещиноватых пород тонкодисперсными цементами при различных горно-геологических условиях.

Практическое значение заключается в разработке рекомендаций по выбору рациональных параметров упрочнения очистных и подготовительных выработок и улучшения технике-экономических показателей подземной разработки рудных месторождений.

Реализация выводов н рекомендаций. Полученные результаты по выбору рациональных параметров инъекционного упрочнения тонкодисперсными цементами использованы прч разработке проектов вскрытия и подготовки нижних (гор. -20ч, шахты N72; гор. +140м, шахты N45) горизонтов Жезказганского месторождения.

Апробация работы. Основное содержание работы и ее отдельные положения докладывались и получили одобрение на научных семинарах кафедры технологии и комплексной механизации подземной разработки рудных месторождений Московского государственного горного университета, 1991-1994 гг.

Публикации. Пэ результатам выполненных исследований опубликовано 3 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на /¿¿""страницах машинописного текста, содержит список литературы из ¿^наименований, /^"рисунков, ¿г таблиц, »г приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

На основании сравнительного обзора' и анализа опыта применения, различных методов крепления горных пород, исследований, проведенных многими организациями в нашей стране и за рубежом можно прийти к выводу, что в условиях понижающейся прочности породных массивов целесообразным является использование современных видов упрочняющих материалов на минеральной основе -тонкодисперсных цементов,получаемых методом сухого и мокрого домола портландцементов, выпускаемых отечественной промышленностью.

Способы упрочнения горных пород твердеющими составами широко апробированы (главным образом цементация, глинизация, силикатизация, смолинъекция), теоретически разработаны в трудах А. Е Адамовича, И. Т. Айтматова, Е Е Аскалонова, Е Н. Шрайберга, Д И. Балбачана, И. И. Вахрамеева, Е Е Давыдова, Э. Э. Аласса, Е Е Корна, £. Б. Дружко, Ю. 3. Заславского, Т. С. Каранфилова, Г, И. Меньшовекпго, Б. А. Ржаницына, Е Г. Тру пака, Е. П. Калмыкова, Э. ЯКипко, ftE Буркова, Е Е Васильева, КХ Ф. Васючкова, Е.Е Кузьмина, П. А. Пилевского, Е. Г. Дуда, Г. Г. Дитвинского, А. Б. Кондратова, И Н. Максимова, Е. П. Куликова, чьи работы успешно используются при упрочнении горных пород, окружающих горные выработок

Вопросами инъекционного упрочнения пород занимаются ИГД им. А. А. Скочинского, НуэНШИ, КНИУИ, ВНИИОМШС, ИГТМ АН Украины, НПО "Полимерсинтеэ", МакИСИ, АО "Жезказганцветмет", ПО "Спецмонтахгеодогия", МГШ, АПИ и другие организации.

Упрочняющие материалы на полимерной основе также являются весьма эффективным средством упрочнения разнообразных трещиноватых горных пород. К ним относятся в первую очередь карбамид-ные, полиуретановые, полиэфирные смолы , обладающие гомогенной структурой, высокой npoi икающей способностью, высокой собственной прочностью и с. еплением с породами. Исследования по упрочнению горных пород ) удных месторождений проведены в МТУ (работы ЕР.Именит ва, Е.Е Кузьмина, Е А. Королева, А. М. Беляева, Е А. Минаева, С. Е Фомичевой, Г. П. Гуненкова, М. И. Джанаева, Т. П. Гуненковой, U.M. Еайдаева и др.).

В стоимостном сопоставлении упрочняющих материалов преимущество имеют материалы на минеральной основе - цементы. Их сравнительная стои^оть в 2-3 раза ниже, чем полимерных составов. Кроме того, цементы доступны для приобретения, не имеют токсичных испарений, выделений. Транспортировка их до места проведения инъекционных работ и хранение также облегчены: цементы представлены в сухом виде, расфасованы, как правило, в бумажные мешки по 50 кг, тогда как полимерные смолы - это жидкости, их требуется доставлять в герметически закрытых метал-ЛИЧ1 ;-мх емкостях и хранить в специальных местах во избежание токсических воздействий испарени...

Этими основными факторами определяется направленность данной диссертации - исследование возможного эффективного при- 4 -

менения современных типов специальных цементов методом их инъ-ектирования в породы при ведении подземных горных работ.

В связи с изложенным, задачами настоящей работы являются:

- обобщение и сравнительный анализ производственного опыта эффективного использования методов упрочнения цементами и инъекционного упрочнения полимерными составами;

- обоснование и выбор тонкодисперсных цементных растворов;

- исследование физико-механических характеристик тонкодисперсных цементных составов;

- установление размеров зон распространения тонкодисперсных цементных г створов в трещиноватых горных породах;

- определение параметров нагнетания тонкодисперсных цементных растворов в трещиноватые породы;

- установление параметров технологич и технологических схем упрочнения трещиноватых пород тонкодисперсныш цементными растворами;

- технико-экономическое обоснование инъекционного упрочнения трещиноватых пород очистных и подготовительных выработок тонкодисперсными цементами.

В соответствии с поставленными задачами в качестве методов исследований использовались методы: физического моделирования, математической статистики, регрессионного анализа, компьютерного моделирования при изучении закономерностей распространения составов в трещиноватых породах, определении параметров нагнетания, технологии упрочнения трещиноватых массивов.

Выбор в пользу тонкодисперсиых цементов сделан потому, что такой цемент по проникающей способности близок к полимерным смолам. Тонкодисперсный цемент разработан институтом ВНИ-ИОМШ, получают тонкодисперсный цемент с помощью мельниц струй-. ного измельчения. Размер зерна уменьшается при измельчении от 0. 2-0.17 до 0. 08-0, 02 мм, т. е. в 4-6 раз и более.

Уменьшенные размеры частиц цемента повышают его последующую прочность более чем в два раза, так как при измельчении увеличивается его поверхность, улучшается его проникаю:идя способность в мелкие трещины. Тонкодисперсный цемент заполняет более 85% имеющихся трешин, начиная с ширины раскрытия 0. 02мм (см. диаграмму, рис. 1).

Для установления параметров тонкодисперсногп цементного - 5 -

Рис. 1. Диаграмма трещиноватоети горных пород Жевкаэ-ганского месторождения (участок шахты N45, гор.+140) зона повышенной трепдановатости; К - число трещин данного раскрытия на п. м измеряемого участка поверхности выработки; - ширина раскрытия трещин

раствора выполнены лабораторные исследования, в которых определялась вязкость тонкодисперсного цемента (согласно ГОСТ 9070-59) по времени истечения растворов на вискозиметре ВЗ-1 в условных единицах измерения - секундах. Объем порции тонкодисперсного цементного раствора, равный 100 мл, наливался в вискозиметр с заранее перекрытым отверстием чаши. Затем фиксировалось время вытекания раствора из воронки через сопло диаметром 5. 4 мм и определялась условная вязкость упрочняющего раствора в секундах. Зависимо ъ вязкости раствора от водоце-ментного соотношения определяется уравнением

где ¡) - кинематический коэффициент вяекости, м/с; £ - относительная плотность состава, кг/м.

Одновременно с этим по каждому эксперименту определяется плотность раствора Исследование плотности проведены в связи с тем, что в условиях поддержания раствора в турбулентном состоянии этот параметр начинает оказывать существенное влияние, в отличие от условий нагнетания полимерных смол. Ранее изменение плотности раствора при определении размеров зоны распространения упрочняющего раствора не учитывалось.

Выборочные данные лабораторных экспериментов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Изменение вязкости и плотности тонкодисперсного цементного раствора от водоцементного соотношения

1 |В/Ц соотнош. 1 Вязкость ^ , 11а • с | Плотоность ^ , т/м |

1 1 0.2 0.146 1 1 I 1.051 I

1 1 0.3 0.157 | 1.103 |

1 1 0.4 0.169 I 1.155 |

1 1 0.5 0.183 | 1.215 |

1 1 0.6 0.197 | 1.276 |

1 1 0.7 0.203 | 1.323 |

1 1 1 0.8' 0.225 I 1.369 I 1 1

Как видно из табл. 1, с увеличением водоцементного соот-- 7 -

ношения увеличивается не только вязкость, но и плотность тонкодисперсного цементного раствора.

Для определения прочности цементного камня приготавливается состав с определенным соотношением компонентов, заливается в формы 4*4 см и через 28 суток раздавливается в прессах одноосного сжатия. Результаты испытаний приведены на рис. 2. Установлено, что с увеличением водоцемзнтного соотношения прочность цементного камня снижается.

Далее проведен большой цикл исследований по определению параметров нагнетания тонкодисперсных цементов в массив горных пород. Для достижения качественного результата при нагнетании необходимо выбрать правильный режим движения тонкодисперсного цементного состава в трещинах. В отличие от полимерных составов, цементные растворы являются двухфазными структурами (цемент, вода, могут быть специальные добавки), и требования к параметрам нагнетания цементных растворов принципиально различны.

Одним из основных требований при нагнетании тонкодисперсных цементов, как и обычных, является сохранение турбулентности потоков - вихревого процесса движения цементного раствора по транспортным кчналом и желательно по трещинам.

Для того, чтобы не бьяо седиментации частиц из цементного раствора (отсаждения част, \ цемента на внутренней- поверхности скважин и трещин вблизи ¡их) нагнетание должно происходить в турбулентном режиме. При э 'ом обеспечивается вихревое движение раствора и частицы цемента поддерживаются во взвешенном состоянии. . '

Процесс движения жидкости в щелих изучен Г. М. Лэмиэе на специальной установке. Исследования движения жидкости в шрлях показали, что их шероховатость играет существенную роль в формировании потока жидкости, движущейся по трещине, влияя как на величину сопротивления движению,' так и на предел перехода ламинарного режима в турбулентный или наоборот. Величина шероховатости, начиная с которой последняя оказывает практически измеримое воздействие на поток, зависит не только от формы, раз-мг, 1 и других параметров шероховатости, но и от кинематической характеристики потока, определимой числом Рейнольдеа (Ре).

Наиболее крупные исследования проведены в этом направлении проф. Н.Е Ножкиным, ус ыновившим главные факторы, влияющие

- 8 -

на технологию нагнетания жидкостей в массив горных пород в различных режимах.

В зависимости от значения числа Рейнольдса напорное движение, в шероховатых щелях последовательно проходит три стадии - ламинарную, переходную и турбулентную. Во всех трех стадиях наблюдается выраженная зависимость коэффициента сопротивления f от величины относительной шероховатости ^(где е - величина выступа шероховатой поверхности; S- раскрытие щели), влияющая столб же закономерно на пределы перехода от одного режима движения к другому.

На основании результатов, полученных на экспериментальной установив Ломизе Г. М. , наш сделана Выборга для шероховатых щелей, эквивалентных шероховатости трешин Шезказганского месторождения. Наиболее типичными породами Жезказганского месторождения являются серые и красные песчаники. При этом принято для серых песчаников величина относительной шероховатости 0. 482, О. 335 см; раскрытие щели 5 = 0. 228, 0. 328 см; шероховатость £ = 0.10-0.12 см; а для красных песчаников величина относительной шероховатости •g-» 0.687, 0.574 см; раскрытие шэли S = 0.255 , 0.305 см; шероховатость £= 0.15-0.20 см.

Начиная с некоторой ве <ичины числа Рейнольдса, сопротивление движению раствора о клоняется от линейного закона и за переходной областью, по ме е роста Re. приобретает турбулентный характер (рис.3).

Для рассмотренного участка движения справедлив квадратичный закон сопротивления, при этом оно пропорционально квадрату средней скорости движения. Как видно из графика (рис.3), с изменением величины относительной шероховатости ■§■ изменяется коэффициент сопротивления Jвозрастая по логарифмической зависимости с увеличением относительной шероховатости.

Критическое число Рейнольдса при движении в трещинах различной формы и шероховатости является функцией изменения формы сечения и шероховатости трешин:

где У- параметр изменения формы сечения трещин; - величина

Л v

относительной шероховатости, м; j - коэффициент сопротивления.

Зная область перехода ламинарного режима в турбулентный, по графику определяем соотв.. .етвующее ему значение числа Рей- 10 -

'-1- -1-1_I_1_I

«у 10 ю т моо Iоооо де

Ркс. 3. Зависимость коэффициента сопротивления / от числа Рейнольдса !?е при разной шероховатости целей (по опытам Лсмизе Г. Ы.)

нольдса Исходя из формулы определения Ие определяем минимальную скорость, при котором еще сохраняется турбулизация потока:

7 Г - & •

тгг

где ^ - коэффициент динамической вязкости упрочняющего состава, Па-с; ^ - плотность состава, кг/см; ¡1 - ширина раскрытия трещин, м; Ц,к/> - критическое число Рейнольдса.

Таким образом, определен нижний предел скорости движения . тонкодисперсного цементного раствора в трещинах, начиная с которого можно вести эффективное нагнетание раствора, не опасаясь седиментации. Опираясь на ранее выполненные исследования Е. Е Кузьмина, с учетом сформулированного выше требования турбулизации потока можно, получить значения темпа нагнетания раствора ___ .

где Г - густота третий на 1м шпура; ^ - коэффициент, учитывающий влияние клиновидности, извилистости трещин и местных потерь.

Для определения размеров зоны распространения состава, с учетом влияния плотности раствора, использованы результаты, которые были получены в описанных выше лабораторных экспериментах. Ранее, например, при нагнетании полимерных составов, карбамидных смол плотность контролировалась лишь как показатель степени растворения отвердителя в приготавливаемом растворе. При использовании же полиуретановых составов компоненты (полиоль, полиизоционат) имеют равные плотности. Поэтому при исследовании влияющих параметров на размеры зоны распространения полимерных составов в трещинах параметр изменения плотности не рассматривался. . Однако при нагнетании цементов плотность тонкодисперсного цементного раствора влияет на осаждение частиц цемента в трещинах.

На кафедре ТПР решена задача по аналитическому расчету радиуса распространения состава, основываясь на классической зависимости механики жидкостей и газов. Нами выполнено решение данной задачи для нового упрочняющего материала - тонко-, дисперсного цемента и установлено более явное влияние плотности раствора, чем при нагнетании смол. Для расчетного опре-

- 12-

деления формы и размеров зоны распространения тонкодисперених цементных растворов в трещиноватом массиве горных пород использована программа LOBIK. Так как в зависимость введена плотность состава то коэффициенты при прочих имеющихся параметрах изменяются.

Для установления измененной степени влияния каждого из рассматриваемых параметров на минимальный радиус распространения тонкодисперсного цементного состава выделено 5 зон на заданных глубинах шпура с соответствующими густотой и шириной раскрытия трещин. При определении степени влияния рассматриваемых параметров каждому параметру назначалось пять значений: средняя величина соответствует наиболее распространенному значению параметра; в каждом конкретном расчете размеров радиуса распространения изменяется один из параметров; всем неизменяемым параметрам назначается их среднее значение,

Таким образом, получено 32 варианта значений радиуса распространения тонкодисперсного цементного раствора по трещинам массива. Результаты определения степени влияния каждого из параметров сведены в табл. 2.

Обработка экспериментальных данных методом множественной корреляции позволила установить зависимости, определяющие и множественную связь исследуемых параметров, на их основании получить выражение для определения радиуса распространения (в размерности СИ):

Я - - 04Sji-0,5fj> * 0.01 Е * 03S8m.*QQ2tP*0.05^ * QOê Г,

где Jt - динамическая вязкость, lia-с; J7- плотность, т/щ 5 - ширина раскрытия трещин, м; 'Ъшп- диаметр шура, м; Р •• давление нагнетания, МПа; 6J - производительность оборудования, »•î'e; Г - густота трещин, 1/м.

Из полученных данных видно, что ;:а размеры зоны распространения состава существеннее влияния оказывают динамическая вязкость, плотнеет® раствора, давление и темп нагнетания, зависящие от диамйтрз iiinypa или скьакины.

Следует отметить универсальность такой технологии, т. е. ее приемлемость, для упрочнения выработок различного назначения, условий, размеров и т.п. В каждом случае отличительным

- 13 -

Таблица 2

Результаты расчетов радиуса распространения (К) упроч"яющего тонкодисперсного цементного раствора в трещиноватом массиве

I-1-1-1-1-1-1-1-1 I

Номер вар. Вязкость р, Пас Плотность j>,TAI Ширина раскрытия трещин Е-10, м Диаметр шпура Dm,M Давление Р,МПа Темп нагн. Q.kíJ'c Густота трещин Г, 1/м Радиус распр. R.M

1 0.157 1.10 100 0.07 15 10 7 0.735

2 0. 169 1.16 100 0.07 15 10 7 0. 665

3 0. 183 1.22 100 0.07 15 10 7 0.665

4 0.198 1.28 100 0.07 15 10 7 0. 595

5 0. 203 1.32 100 0.07 15 10 7 0.595

6 0.183 1.22 10 0.07 15 10 7 0.105

7 0. 183 1.22 30 0.07 15 10 7 0.175

8 0.183 1.22 50 0.07 15 10 7 0.245

в 0. 183 1.2 2 70 0.07 15 10 7 0.385

10 0.183 1.22 100 0.07 15 10 ' 7 0.665

11 0.183 1.22 300 0.07 15 10 7 2. 485

12 0.183 1.22 500 0.07 15 10 7 4.095

13 0.183 1.22 100 0.046 15 10 7 0. 653

14 0.183 1.22 100 0.07 15 10 7 0.665

15 0.183 1.22 100 0.105 15 10 7 0.680

16 0.183 1.22 100 0.07 5 10 7 0. 385

17 0.183 1.22 100 0.07 10 10 7 0. 525

18 0.183 1.22 100 0.07 15 10 7 0.665

19 0.183 1.22 100 0.07 20 10 7 0.735

20 0.183 1.22 100 0.07 25 10 7 0.805

21 0.183 1.22 100 0.07 15 2 7 1.295

22 0.183 1.22 100 0.07 ' 15 6 7 0.805

23 0.183 1.22 100 0.07 15 10 7 0.665

24 0.183 1.22 100 0.07 15 50 7 0.315

25 0.183 1.22 100 0.07 15 100 7 0.315

26 0.183 1.22 100 0.07 15 10 45 1.435

27 0.183 1.22 100 0.07 15 10 30 1.225

28 0.183 1.22 100 0.07 15 10 20 1.015

29 0.183 1.22 100 0.07 15 10 12 0.805

30 0.183 1.22 100 0.07 15 10 7 0.665

31 0.183 1.22 100 0.07 •15 10 4 0. 525

32 0.183 1.22 100 0. 07 15 10 1 ' 0. 245

J_I_I_I . I_I-—-L

будут лишь параметры подготовительных операций, глубина инъекционной обработки массива

В работе рассматриваются два варианта технологии упрочнения кровли. Первый - упрочнение кровли очистных камер глубоких горизонтов Жезкааганского месторождения (шахта N72), второй -упрочнение трещиноватых пород при проходке подготовительно-нарезных выработок нижних горизонтов.

Для определения размеров сетки расположения инъекционных шпуров при закреплении кровли очистных камер необходимо установить расстояние между инъекционными шпурами.

Расстояние между инъекционными шпурами (скважинами) (Ош, м) определяется исходя из величины радиуса распространения тонкодисперсного цементного раствора в турбулентном ре.щш его движения. Это условие обеспечивает качественное заполнение трещин массива. При этом принимается такое расстояние между шпурами, которое определяется исходя из величины радиуса распространения тонкодисперсного цементного состава при турбулентном режиме движения по трещине.

Принимается, что втекание состава в трещину происходит через кольцевое сечение площадью ^ «v2J77W/>. Вводится коэффициент влияния шероховатости V» на скорость втекания потока, установленный Г. М. Ломизе: i<r

= Се/гк]' ,

где е - высота выступов шероховатости; 2 h - ширина раскрытия трешин. '

Учитывая радиальность потока и шероховатость трещин, скорость втекания определяется из выражения /7 Г - ,

0ir'* ~ 2fbZih 9

где ^ наг - темп нагнетания состава.

Для наиболее типичных пород Жезгааганского месторождения при высоте выступов шероховатости <3 = 0.109; 0.120 (см) коэффициент влияния шероховатости У равен: - 78.16, 80. ¡J0 (для серых песчаников); при высоте выступов шероховатости0.172, 0.175 коэффициент Рвлияния шероховатости (о = 156. 2; 157. 5 (для красных песчаников). Значение £ - по данным исследований ИГД АН РК.

Соответственно при этом скорость втекания состава в трещину равна:

- для серых песчаников I/ втек - 62.23; 63.10 (м/с);

- для красных песчаников 1Гвтек » 124.4; 125.1 (м/с).

На ч .¡нове выполненного расчета построен график (рис. 4) зависимости радиуса распространения тонкодисперсного цементно-' го состава от скорости втекания и числа Рейнолвдса (используя рис. 3).

Зная значения Ие при переходе турбулентного режима в ламинарный, можно определить значение "^втек а этой области. Зная скорость, при которой появляется опасность седиментации частиц тонкодисперсного цемента, можно определить расстояние, после которого режим движения состава по трещине переходит в ламинарный, который в нашем случае является зоной некачественного заполнения трещин. Зная расстояние, на котором турбулентный поток переходит в ламинарный, можем определить расстояние между шпурами:

С( 44 ~ 2. ,

Далее определяем технологию ведения инъекционных работ.

В работе выполнен анализ существующих схем нагнетания упрочняющих составов: зажимной, циркуляционной и полуциркуляционной. На основании проведенного нами анализа можно сделать вывод, что полуциркуляционная схема нагнетания является наиболее универсальной, так как оне э требует сложного оборудования и бурения скважин большого диаметра; цементационный раствор можно нагнетать в скважину как при постоянном, так и при переменном давлениях, путем перевода его с полуциркуляционной на зажимную схему; обеспечивает универсальность.нагнетания, хорошее управление процессом тампонирования и регулирование концентрации раствора, подаваемого в скважину; отсутствует возможность ухудшения качества нагнетаемого раствора, так как его циркуляция производится только по трубопроводу, а не по скважине.

В условиях Жезказганского месторождения с преобладанием пород мелкой трещиноватости и при использовании тонкодисперсных цементных растворов, которые являются минеральными вяжущими, но имеют высокую проникающую способность, наиболее целесообразно применение полуциркуляционной схемы нагнетания.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения предложенной технологии инъекционного упрочнения тонкодисперсными цементами

- 16 -

Рис. -4. Изменение скорости движения тонкодиспероных цементных растворов при радиальном распространении по лещине, перпендикулярной оси инъекционного шпура: для серых песчаников V* = 78.16,1",.= 80.20; для красных песчаников ^ = 155.2, - 157.5

на подземных рудниках Жезказгана составляет 10 млн. руд. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной для горнорудной промышленности научной задачи повышения устойчивости горных пород вокруг выработок путем упрочнения их тонкодисперсными цементами, в современных условиях перехода на большие глубины.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы:

1. В результате сравнительного анализа установлено, что при разработке рудных месторождений для наибольшего заполнения трещин породных массивов целесообразно применение тонкодисперсных цементов с высокой проникающей способностью, для достижения более высокой последующей прочности породного массива

2. Установлена зависимость параметров нагнетания и размеров зон распространения тонкодисперсных цементных растворов при обеспечении условия турбулизации потока от вязкости, плотности раствора и свойств шероховатых трещин массива.

3. Установлены оптимальные параметры тонкодисперсных цементных растворов: вязкость^ - 0.157-0.203 Па с, при плотности £ - 1.100-1.320 тл£ и прочность получаемого цементного камня б' - 1.14-8.48 МПа, позволяющие выбрать рациональные параметры технологии и технологических схем инъекционного упрочнения горных пород.

4. Установлено, что зона распространения тонкодисперсных цементных растворов И при нагнетании в трещиноватые горные породы определяется значением ширины раскрытия трещин, а также вязкостью, плотностью раствора и составляет 1.4-1.9 м.

5. Принят турбулентный режим нагнетания тонкодисперсных цементных растворов в трещины. Исходя из этого, рациональные давление и темп нагнетания на 15Х вьизе, чем при нагнетании гомогенных полимерных составов в ламинарном режиме с "максимальным насыщением массива.

6. Для наиболее типичных пород Жезказганского месторождения установлены параметры технологии и технологических схем

- 18 -

инъекционного упрочнения трещиноватых пород тонкодисперсными цементными растворами с учетом седиментации частиц цемента в процессе движения раствора по трещинам: для серых песчаников •^Автек - 62.23, 63.10 (м/с); коэффициент влияния шероховатости V- 78.16, 80.20; для красных песчаников ^втек - 124.4, 125.1 (м/с); коэффициент влияния шероховатости 156.2, 157. Б.

7. Разработанные в диссертации технологии и технологические схемы упрочнения тонкодисперсными цементами рекомендованы для использования на подземных рудниках АО "Жезкааганц-ветмет"

а Расчетный экономический эффект от технологии (при использовании рекомендаций) инъекционного . упрочнения тонкодисперсными цементами для условий подземных рудников АО "Жез-казганцветмет" составляет 10 млн. руб. в год.

Основные половения диссертации опубликованы в «хжздукзээ работах:

1. А.С. Оганесян, И. С. Дьяконов Предварительное инъекционное упрочнение горных выработок в условиях повышенных тектонических напряжений. 1992 - с 32 - Деп. в Горном информационно-аналитическом бюллетене, Выпуск1.

2. Оганесян А. С. 1 Определение параметра плотности тонкодисперсного цементного раствора. Деп. рук. в МГГУ. Справка о депонировании N27/9-149 от 28 сентября 1994г.

3. Оганесян А. С. Установление параметра вязкости тонко дисперсного цементного раствора. Деп. рук. в МГГУ. Справка о депонировании N27/9-150, от 28 сентября 1994г.

С