RU2371544C1 - Strengthening method of rocks massif - Google Patents

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: strengthening method of rocks massif 1 includes installation of areas and zones of rocks, subject to strengthening, assessment of its physical-mechanical properties, drilling around of zones by wells 3 and introduction of substances, oxidative react to each other. At assessment of physical-mechanical properties is defined thermal conductivity, sintering temperature and period of its cooling-down, drilled well bores 3 are outfitted by thermal elements with predetermined thermal and energy parametres, providing at its operation temperature which is not less than sintering temperature of rocks. Location and number of wells 3 is selected by thermal conductivity of rocks for providing of sintering of rocks in volume of strengthen section 4, herewith driving continues after reduction of temperature of massif 1 up to normal level. In the capacity of thermite elements there are used capsules with thermite fuel or other, excluding carrying out of treated rocks wellhead or borehole.

EFFECT: increase of effectiveness and safety of strengthening of rocks massif in conditions of watered and incompetent rocks, and in areas of increased pressure.

2 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к горной геомеханике и может быть использовано для изменения физико-механических свойств горных пород в направлении увеличения их прочности и устойчивости.The invention relates to mining geomechanics and can be used to change the physico-mechanical properties of rocks in the direction of increasing their strength and stability.

Известна группа способов упрочнения массива горных пород на основе смол: мочевиноформальдегидных, полуэфирных, полиурановых (А.П.Томашевский, В.М.Болдин и др. «Временное руководство по упрочнению угольного массива мочевиноформальдегидными смолами на шахтах Кузбасса», Прокопьевск, «Прокопьевскуголь» 1979, стр.13-23).A known group of methods for hardening an array of rocks based on resins: urea-formaldehyde, half-ester, polyuranic (A.P. Tomashevsky, V.M.Boldin, etc. 1979, pp. 13-23).

Данная группа способов включает: установление зон и участков горных пород, подлежащих упрочнению: слабые породы (неустойчивые, не обеспечивающие состояния незакрепленного пространства на период эксплуатации горной выработки), физико-механические свойства, наличие тектонических нарушений, наличие зон повышенного горного давления (ЗПГД) и т.д.; бурение скважин; герметизацию; нагнетание многокомпонентных твердеющих реагентов под значительным (240 атм.) давлением; оценка эффективности мероприятия.This group of methods includes: the establishment of zones and sections of rocks to be hardened: weak rocks (unstable, not providing a state of unsecured space for the period of operation of the mine), physical and mechanical properties, the presence of tectonic disturbances, the presence of zones of high rock pressure (ZPGD) and etc .; drilling of the wells; sealing; injection of multicomponent hardening reagents under significant (240 atm.) pressure; assessment of the effectiveness of the event.

Недостатком данной группы способов является неэффективность его применения при обводненности и блочном строении массива, при котором эффективность затвердения и адгезии укрепляющих составов снижается.The disadvantage of this group of methods is the ineffectiveness of its use with watering and block structure of the array, in which the effectiveness of hardening and adhesion of the strengthening compositions is reduced.

Также известны способы укрепления горных пород набрызгом, которые заключаются в нагнетании насосом бетона на стены выработки и формировании «скорлупы», удерживающей массив (Б.X.Кошумов «Новые материалы и способы крепления на рудниках НПО «Джезказганцветмет», М.: Изд-во ЦНИИЭТЦветмет Серия «Горное дело», выпуск 1, 1989 г.).Also known are methods of reinforcing rocks by spraying, which consist in pumping concrete onto the walls of the excavation and forming a “shell” holding the massif (B.X. Koshumov “New materials and methods of fastening in mines of the NPO Dzhezkazgantsvetmet”, M .: Publishing House TsNIIETtsvetmet Series "Mining", issue 1, 1989).

Недостатком данной группы способов является следующее обстоятельство: глинистые и трещиноватые, блочные массивы, при этом не удается сохранить в устойчивом состоянии из-за медленного набора прочности бетона (при набрызг-бетоне) и низкую силу сцепления с породами (1-1,2 МПа), из-за чего при дополнительной динамической нагрузке зоны повышенного напряжения (ЗПГД), буровзрывных работах происходит отслоение и потеря несущих и связующих свойств горных пород.The disadvantage of this group of methods is the following circumstance: clay and fractured, block massifs, while it cannot be maintained in a stable state due to the slow set of concrete strength (when spraying concrete) and low adhesion to rocks (1-1.2 MPa) due to which, with an additional dynamic load of the zone of increased voltage (ZPGD), drilling and blasting operations, detachment and loss of bearing and binding properties of rocks occur.

Известна группа способов укрепления неустойчивых горных пород, принятых за прототип, включая лессовые, основанные на бурении скважин в упрочняемый массив, закачку углеводородных материалов (керосин, дизельное топливо и т.д.), кислородсодержащих газов (воздуха) и организацию окислительной реакции. Способ обеспечивает при температуре 700°С упрочнение горных пород.A known group of methods for strengthening unstable rocks, taken as a prototype, including loess, based on drilling wells in a hardened array, injection of hydrocarbon materials (kerosene, diesel fuel, etc.), oxygen-containing gases (air) and the organization of the oxidative reaction. The method provides hardening of rocks at a temperature of 700 ° C.

Недостатком является трудоемкость способа из-за необходимости бурения и удержания стволов скважин в неустойчивых породах, а подача и отвод газообразных продуктов реакции приводят к взрывам и аварийным ситуациям при эксплуатации, а также к выносу частиц пород к устью скважины и формированию дополнительных объемов в пробуренных скважинах, кроме того, способ ограничен применением поверхностью земли и не предусматривает применение в условиях горных выработок, а также при их проходке и креплении в зонах повышенного горного давления.The disadvantage is the complexity of the method due to the need for drilling and retaining wellbores in unstable rocks, and the supply and removal of gaseous reaction products leads to explosions and emergency situations during operation, as well as to the removal of rock particles to the wellhead and the formation of additional volumes in drilled wells, in addition, the method is limited to the use of the earth’s surface and does not provide for use under the conditions of mine workings, as well as during their penetration and fastening in zones of high rock pressure.

Техническим результатом применения изобретения является повышение эффективности, безопасности упрочнения массивов горных пород в обводненных условиях и в иных условиях неустойчивых пород (наличие песчаников, мелких блоков (0,1-0,2 см), в зонах дробления), а также в зонах повышенного горного давления (ЗПГД).The technical result of the application of the invention is to increase the efficiency, safety of hardening rock masses in flooded conditions and in other conditions of unstable rocks (the presence of sandstones, small blocks (0.1-0.2 cm), in crushing zones), as well as in areas of high rock pressure (ZPGD).

Технический результат достигается тем, что способ упрочнения массивов горных пород, включающих установление зон и участков горных пород, подлежащих упрочнению, оценку их физико-механических свойств, обуривание зон скважинами и введение веществ, вступающих в окислительную реакцию между собой, согласно изобретению, что при оценке физико-механических свойств определяют теплопроводность, температуру спекаемости и период их остывания и пробуренные скважины оборудуют термическими элементами с заранее заданными термическими и энергетическими параметрами, обеспечивающие при их работе температуру не ниже температуры спекания пород, а расположение и количество скважин выбирают, исходя из теплопроводности пород, таким образом, чтобы обеспечить спекание пород в объеме упрочняемого участка, а проходку продолжают после снижения температуры массива до нормального уровня; в данном способе в качестве термитных элементов используют капсулы с термитным топливом или иным, исключающих вынос обрабатываемых пород на устье скважины или шпура.The technical result is achieved by the fact that the method of hardening rock masses, including establishing zones and sections of rocks to be hardened, evaluating their physical and mechanical properties, drilling zones with wells and introducing substances that enter into an oxidative reaction between themselves, according to the invention, which, when evaluating physical and mechanical properties determine thermal conductivity, sintering temperature and the period of their cooling, and drilled wells are equipped with thermal elements with predetermined thermal and energy with parameters that ensure during their operation that the temperature is not lower than the sintering temperature of the rocks, and the location and number of wells are selected based on the thermal conductivity of the rocks, so as to ensure sintering of the rocks in the volume of the hardened area, and the sinking continues after the temperature of the massif is reduced to a normal level; in this method, capsules with thermite fuel or otherwise are used as termite elements, excluding the removal of processed rocks to the wellhead or hole.

Сущность изобретения заключается в том, что данный способ воздействия на неустойчивые породы (и позволяющие проводить технические действия: проходку, крепление, поддержание, эксплуатацию выработок, включая подземные борта отвалов, разрезов) позволяет перевести данные породы в устойчивое блочное состояние, повысить их прочность, укрепить взаимосвязь блоков путем залечивания трещин, исключить взрывы и аварийные ситуации, вынос пород, формирование неконтролируемых полостей. Известно увеличение прочности глин при нагревании до 200°С и формировании «кирпича» при 500-800°С. Эти параметры используются на заводах по производству кирпича. При температуре 1300°С известно упрочнение глин до спекания. Однако эти прочностные параметры достигаются при временном воздействии (90 часов) на глинистый, пористый, обводненный массив. Кроме того, способ такого воздействия включал нагнетание углеводородсодержащих, жидких или газообразных веществ и кислородсодержащих веществ (воздух), что может приводить к взрывоопасным концентрациям, выносу обрабатываемых пород и формированию полостей. Применение данного способа позволит воздействовать на массивы глин, суглинков, супесей продолжительностью до 0,5-2 часов, превращая в клинкерную массу (при глинах) или отстекловывая (при песчанниках и супесях) массивы до 2-3 метрах в диаметре, если применять клинообразные до 5 метров в почву клина. Применение брикетированного под давлением перхлората позволит получить поступление разогретого до 400-500°С кислорода в массив тексотропных пород, окисление (сгорание, ококсование) органических компонентов в нем, и закрепление не только за счет прогрева до 400°С, но и зон сгорания органики. При этом и в первом, и во втором случае загрузка капсулами с насыпным или брикетированным термитным или кислородным (перхлоратным) элементами является наиболее простой технологической операцией. При проходке капитальных выработок данные термоизлучатели размещают в кровле проводимых выработок в виде каркаса из спекаемых блоков пород над областью проходки и, инициируя термическую реакцию, создают устойчивый массив с прочностными характеристиками, достаточными для удержания массива, до создания капитального крепления. Поскольку внедрение способа предполагается, прежде всего, в неустойчивых и «рыхлых» массивах, представляется актуальным вдавливание термитных элементов, собранных в виде клиньев, на алюминиево-магниевых ребрах и основаниях, увеличивающих при термитных реакциях температуру, за счет участия в них, расплавления, проникновения в них в расплавленном состоянии и укреплении массива.The essence of the invention lies in the fact that this method of influencing unstable rocks (and allowing technical actions: sinking, securing, maintaining, operating workings, including underground boards of dumps, open pits) allows these rocks to be converted into a stable block state, increase their strength, and strengthen the interconnection of blocks by healing cracks, to eliminate explosions and emergencies, removal of rocks, the formation of uncontrolled cavities. It is known to increase the strength of clays when heated to 200 ° C and the formation of "brick" at 500-800 ° C. These parameters are used in brick factories. At a temperature of 1300 ° C, hardening of clays to sintering is known. However, these strength parameters are achieved with a temporary exposure (90 hours) to a clay, porous, flooded massif. In addition, the method of such exposure included the injection of hydrocarbon-containing, liquid or gaseous substances and oxygen-containing substances (air), which can lead to explosive concentrations, removal of treated rocks and the formation of cavities. The application of this method will allow affecting arrays of clay, loam, sandy loam for up to 0.5-2 hours, turning into a clinker mass (with clays) or vitrifying (with sandstones and sandy loams) arrays up to 2-3 meters in diameter, if wedge-shaped up to 5 meters into the soil of the wedge. The use of perchlorate briquetted under pressure will make it possible to get oxygen heated to 400-500 ° C into the mass of texotropic rocks, oxidation (combustion, coking) of organic components in it, and fixing not only by heating to 400 ° C, but also organic combustion zones. In this case, in both the first and second cases, loading with capsules with bulk or briquetted termite or oxygen (perchlorate) elements is the most simple technological operation. When driving mine workings, these heat emitters are placed in the roof of the mine workings in the form of a frame of sintered rock blocks over the area of penetration and, initiating a thermal reaction, create a stable array with strength characteristics sufficient to hold the array, until the capital fastening is created. Since the introduction of the method is intended, first of all, in unstable and “loose” massifs, it seems relevant to press in termite elements assembled in the form of wedges on aluminum-magnesium ribs and substrates, which increase the temperature during thermite reactions due to the participation in them, melting, penetration in them in a molten state and strengthening the massif.

На Фиг.1 - Фиг.2 в качестве иллюстраций показана схема размещения и эффектов от работы скважинных термоизлучателей по способу, где: 1 - массив неустойчивых пород; 2 - выработка, проходимая по неустойчивым породам; 3 - нагревательный элемент, расположенный в шпуре, соответствующем ста диаметрам; 4 - области упрочненных, обожженных пород вокруг термоизлучателей 3.Figure 1 - Figure 2 as an illustration shows the layout and effects of the operation of downhole heat emitters according to the method, where: 1 - an array of unstable rocks; 2 - development, passed through unstable rocks; 3 - a heating element located in a hole corresponding to one hundred diameters; 4 - areas of hardened, calcined rocks around thermal emitters 3.

На Фиг.2 - Фиг.7 в качестве иллюстраций представлено устройство скважинного термоизлучателя и формы его применения в неустойчивых массивах, пригодные для вдавливания: 5 - полый корпус, изготовленный из легкого, расплавляемого материала; 6 - ребра жесткости и направляющие, изготовленные из алюминиево-магниевых стержней; 7 - термитное топливо насыпное; 8 - термитное топливо, брикетированное в виде концентрированных шашек, нанизанных на алюминиево-магниевый стержень; 9 - ядро инициирования термитной реакции; 10 - узел для создания запальной температуры, т.е. для подведения инициирующего тока (возможны: огневое или ударное инициирование (вытяжное кольцо)).Figure 2 - Figure 7 illustrates the downhole thermal emitter device and its application in unstable arrays, suitable for indentation: 5 - a hollow body made of lightweight, molten material; 6 - stiffeners and guides made of aluminum-magnesium rods; 7 - bulk thermite fuel; 8 - thermite fuel briquetted in the form of concentrated drafts strung on an aluminum-magnesium rod; 9 - the nucleus of initiation of the termite reaction; 10 - site for creating an ignition temperature, i.e. for summing the initiating current (possible: fire or shock initiation (exhaust ring)).

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

В применяемом способе может быть использован скважинный термоизлучатель, в котором полый корпус 5 установленным на нем нагревательным элементом 7, тоководом, подключенным к источнику энергии, выполненным из легкого разрушающегося материала, например, фольги, жести, картона, полиэтилена. Корпус закреплен на каркасе из алюминиево-магниевых стержней 6, соединенных кольцами из того же материала, а внутренний объем заполнен насыпным высушенным при температуре ниже 120°С термитным топливом 7, приводимым в реакцию узлом создания запальной температуры 10.In the method used, a borehole heat emitter can be used in which the hollow body 5 has a heating element 7 installed on it, a current lead connected to an energy source made of lightly collapsing material, for example, foil, sheet metal, cardboard, polyethylene. The housing is mounted on a frame of aluminum-magnesium rods 6 connected by rings of the same material, and the internal volume is filled with bulk thermite fuel 7 dried at a temperature below 120 ° C and brought into reaction by the firing temperature generating unit 10.

Анализируют физико-механические свойства пород массива, по которому предстоит проведение выработок, используя данные испытания проб, кернов, отобранных при детальной разведке трассы выработки, обращая внимание на прочностные свойства, блочность (трещиноватость) и обводненность пород. При этом дополнительно проводят испытание проб пород на теплопроводность и, максимально нагревая их, определяют температуру спекаемости (упрочнения при глинистом или рудном компоненте), отстекловывание (при песчанистом).The physicomechanical properties of the rocks of the massif, along which the workings are to be carried out, are analyzed using data from tests of samples, cores taken during detailed exploration of the production route, paying attention to the strength properties, blocking (fracturing) and water cut of the rocks. At the same time, rock samples are tested for thermal conductivity and, heating them as much as possible, they determine the sintering temperature (hardening with a clay or ore component), vitrification (with sandy).

Затем в массиве 1 из выработки 2 бурят шпуры или скважины, в которых размещают скважинные термоизлучатели. Шпуры размещают на удалении, обеспечивающем смыкание упрочненных («спеченных», «остеклованных») зон. А этот параметр определяют при испытании пород на теплопроводность, и, исходя из характеристик применяемого термитного топлива, обеспечивающего 800-1000-1800-2000-2300°С.Then in the array 1 from the development 2 drill holes or wells in which the downhole heat emitters are placed. The holes are placed at a distance that ensures the closure of hardened ("sintered", "vitrified") zones. And this parameter is determined when testing the rocks for thermal conductivity, and, based on the characteristics of the thermite fuel used, providing 800-1000-1800-2000-2300 ° C.

Шпуры, скважины, пробуренные «каркасно», с предполагаемым закреплением массива при продвижении забоя из начального положения а в положение б и оборудованными скважинными термоизлучателями, заполняют забойкой, изолирующей от выработки и инициирую термитную реакцию электрическим, ударным или огневым способом. А процесс проходки начинают после завершения процесса их остывания до нормального уровня.Holes, bored holes drilled, with the supposed fixation of the array when moving the face from the initial position a to position b and equipped with borehole heat emitters, are filled with a stem that isolates from the production and initiates a termite reaction in an electric, shock or fire way. And the sinking process begins after the completion of their cooling process to a normal level.

При наличии упомянутых жестких ребер размещение заряда в легком разрушающемся корпусе в скважине, шпуре или при вдавливании в рыхлый тексотропный массив не вызовет затруднений. Наиболее просто этот процесс организовать при формировании круглого скважинного термоизлучателя с конусным завершением (Фиг.5-7), собранного из пакета прессованных термитных шашек, собранных на оси алюминиево-магниевого материала. Однако при рыхлых, тексотропных средах возможно внедрение под давлением термоизлучателей эллипсоидного и прямоугольного сечения с упомянутыми ребрами жесткости или жестким сгораемым корпусом из алюминия или магния.In the presence of the aforementioned rigid ribs, the placement of the charge in a light collapsing body in a well, a hole, or when pressed into a loose texotropic massif will not cause difficulties. The simplest way to organize this process is to form a round borehole heat emitter with a conical end (Figure 5-7), assembled from a package of pressed thermite blocks, assembled on the axis of aluminum-magnesium material. However, in friable, texotropic media, it is possible to introduce ellipsoidal and rectangular sections under pressure with thermal emitters with the aforementioned stiffeners or a rigid combustible housing made of aluminum or magnesium.

После внедрения скважинных термоизлучателей, через период не менее 0,5-1,5 часа, замеряют температуру вмещающих пород, оценивают их устойчивость (например, по отбору и испытанию проб) и осуществляют плановые мероприятия по креплению сечения (заведение и монтаж колец тюбингов, нагнетание в затюбинговое пространство цемента и т.п.). При недостаточной эффективности операции повторяют, увеличивая в 2-3 раза плотность размещения термоизлучателей. Предлагаемый способ реализуется простыми, дешевыми, безопасными в эксплуатации и экологии реагентами и конструкциями. Достигается упрочнение рыхлых, неустойчивых отсадочных пород, что актуально при проходке стволов и выработок в наносах и обводненных породах. К тому же, он эффективен в рудосодержащих блочных обводненных и мерзлых породах, где применение сталеполимерных анкеров неэффективно, но предварительный прогрев шпуров и закрепление массива расплавами руд позволяет снизить напряженность и повысить устойчивость кровли и почвы выработок.After the introduction of borehole heat emitters, after a period of at least 0.5-1.5 hours, the temperature of the enclosing rocks is measured, their stability is assessed (for example, by sampling and testing samples) and planned measures are taken to fix the cross-section (establishment and installation of tubing rings, injection into the zatyubingovy space of cement, etc.). With insufficient efficiency, the operations are repeated, increasing the density of thermal emitters by 2-3 times. The proposed method is implemented by simple, cheap, safe in operation and ecology reagents and structures. Hardening of loose, unstable sedimentary rocks is achieved, which is important when sinking trunks and workings in sediments and flooded rocks. In addition, it is effective in ore-containing block flooded and frozen rocks, where the use of steel-polymer anchors is inefficient, but the preliminary heating of the holes and fixing the array with ore melts can reduce tension and increase the stability of the roof and soil of mine workings.

Claims (2)

1. Способ упрочнения массивов горных пород, включающих установление зон и участков горных пород, подлежащих упрочнению, оценку их физико-механических свойств, обуривание зон скважинами и введение веществ, вступающих в окислительную реакцию между собой, отличающийся тем, что при оценке физико-механических свойств определяют теплопроводность, температуру спекаемости, и период их остывания, пробуренные скважины оборудуют термическими элементами с заранее заданными термическими и энергетическими параметрами, обеспечивающими при их работе температуру не ниже температуры спекания пород, а расположение и количество скважин выбирают по теплопроводности пород для обеспечения спекания пород в объеме упрочняемого участка, при этом проходку продолжают после снижения температуры массива до нормального уровня.1. The method of hardening rock masses, including the establishment of zones and sections of rocks to be hardened, the assessment of their physico-mechanical properties, drilling zones with wells and the introduction of substances that enter into an oxidative reaction between themselves, characterized in that when assessing the physicomechanical properties determine thermal conductivity, sintering temperature, and the period of their cooling, drilled wells are equipped with thermal elements with predetermined thermal and energy parameters that ensure during their work the temperature is not lower than the sintering temperature of the rocks, and the location and number of wells are selected according to the thermal conductivity of the rocks to ensure sintering of the rocks in the volume of the hardened area, while drilling is continued after the temperature of the massif is reduced to a normal level. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве термитных элементов используют капсулы с термитным топливом или иным, исключающих вынос обрабатываемых пород на устье скважины или шпура. 2. The method according to claim 1, characterized in that as the termite elements use capsules with thermite fuel or otherwise, excluding the removal of the treated rocks at the wellhead or hole.

Images