Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование и разработка технологии анкер-инъекционного крепления капитальных выработок с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя.

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование и разработка технологии анкер-инъекционного крепления капитальных выработок с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя."

На правах рукописи

005053096

МАЙОРОВ Александр Евгеньевич

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ АНКЕР-ИНЪЕКЦИОННОГО КРЕПЛЕНИЯ КАПИТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦЕМЕНТНЫХ РАСТВОРОВ И СЫПУЧЕГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ

Специальность 25.00.22 — «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

11 ОКТ 2012

Кемерово 2012

005053096

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Кемеровском научном центре Сибирского отделения Российской академии наук и на кафедре теоретической и геотехнической механики Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева».

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Хямяляйнен Вениамин Анатольевич Официальные оппоненты:

Перпшн Владимир Викторович, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева», заведующий кафедрой строительства подземных сооружений и шахт; Фрянов Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор,

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет», заведующий кафедрой разработки пластовых месторождений;

Шуплик Михаил Николаевич, доктор технических наук, профессор,

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный горный университет», профессор кафедры строительства подземных сооружений и шахт. Ведущая организация: ОАО «Кузбассгипрошахт».

Защита состоится « 25 » октября 2012 г. в 13~°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.02 Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» по адресу: 650026, г. Кемерово, ул. Весенняя, д. 28. Тел.: (3842) 39-63-36. E-mail: vah@kuzstu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева».

Автореферат разослан « A3 » 2012 г.

Ученый секретарь —-—~>

диссертационного совета

Иванов В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время происходит интенсификация подземной угледобычи, увеличение глубины ведения горных работ с усложнением горно-геологических и горнотехнических условий. На действующих шахтах России к благоприятным условиям подземной добычи угля отнесено менее 50% разведанных запасов. В Кузбассе, как ведущем угольном регионе и месте проведения исследований, до 60 % вмещающих пород непосредственной кровли относятся преимущественно к IV и V классам, т.е. ниже средней устойчивости и неустойчивые с прочностью на сжатие 10 45 МПа. Аварии и несчастные случаи при проведении и поддержании горных выработок в основном сопровождаются обрушением непосредственной кровли с остановкой работ.

При строительстве и эксплуатации угольных шахт в подобных условиях одной из главных проблем является обеспечение устойчивости выработок, которая в основном решается возведением крепи. Трудоемкость крепления выработок в проходческом цикле занимает 30-60%. Процесс крепления, особенно капитальных выработок, является одним из самых дорогостоящих. Возрастающие объемы проведения капитальных выработок в нарушенных породах требуют развития крепления с низкой материалоемкостью и трудоемкостью работ, позволяющего обеспечивать заданную устойчивость при-контурного массива.

Из эффективных средств повышения устойчивости нарушенных пород известно их инъекционное упрочнение и анкерование. При этом рационально применение доступных цементных растворов и минеральных заполнителей.

Несмотря на успехи и имеющийся положительный опыт цементации нарушенных горных пород достигаемая плотность и прочность массива не всегда обеспечивает требуемую несущую способность, ограничивая использование инъекционного упрочнения как способа крепления выработок. Сложившееся положение обусловлено недостаточной изученностью процессов формирования физико-механических и структурно-реологических характеристик цементного раствора, физических особенностей заполнения трещин в нарушенном массиве пород при отфильтровывании жидкой фазы.

В сложных условиях проходки применяют в основном более надежные беззамковые классы анкерной крепи. Работами ИГД СО РАН доказана перспектива использования для закрепления анкеров сыпучего минерального заполнителя (МЗ) — песка, за счет сил трения, сцепления и дилатансии. МЗ дёшев, термостоек, химически инертен. Анкеры, закрепляемые сыпучим минеральным заполнителем (АКМЗ) могут совместить функций временной крепи и конструктивных элементов комбинированной крепи, реализовать при работе распределенную нагрузку на контур скважины. Перспективна идея использования скважин с АКМЗ для нагнетания цементных растворов и дренажного сброса излишней для процесса гидратации жидкой фазы, исключающая дополнительные объемы бурения. При этом не проработаны аспекты формирования втулки из МЗ как несущей и фильтрующей среды, не обоснованы конструктивные и технологические параметры АКМЗ.

Известные способы комбинированного анкер-инъекционного крепления в основном рассматриваются как сочетание положительных признаков. Резерв развития заложен в получении нового качества — реализации процессов консолидации (совмещенное уплотнение, укрепление, сращивание), что позволит изменять физико-механические характеристики нарушенных пород и управлять состоянием приконтурного массива, используя его несущую способность.

Таким образом, для обеспечения устойчивости выработок и снижепия материалоемкости при строительстве и эксплуатации угольных шахт актуально научное обоснование и разработка технологии анкер-инъекционного крепления с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя, рассматриваемой как единый процесс нагнетания, дренирования и анкерова-ния при консолидации нарушенного массива пород.

Работа выполнена в рамках программы СО РАН «Научное и технологическое обеспечение социально-экономического развития Кемеровской области»; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г.г., КузГТУ; именного гранта Губернатора Кемеровской области для молодых ученых - кандидатов наук на проведение фундаментальных и прикладных исследований по приоритетным направлениям социально-экономического развития Кемеровской области, КемНЦ СО РАН, 2008 г.; государственного контракта №26-0П-08, ИУУ СО РАН, 2008 г.; хоздоговорных тематик ИУУ СО РАН 1996-1998 г.г.

Цель работы. Обоснование и разработка технологии анкер-инъекционного крепления капитальных выработок с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя, обеспечивающего устойчивость контура и снижение материалоемкости при строительстве и эксплуатации угольных шахт.

Основная идея работы заключается в использовании закономерностей процесса цементации трещин с дренажем жидкой фазы раствора, совмещенного с работой анкеров, закрепляемых сыпучим заполнителем — песком, при обосновании и выборе конструктивных и технологических параметров анкер-инъекционного крепления.

Задачи исследований:

— установить влияние дренажа жидкой фазы на процесс заполнения трещин цементным раствором;

— установить взаимосвязь основных технологических параметров процесса цементации трещин при отфильтровывании жидкой фазы раствора через дренажные скважины;

— выявить процессы формирования втулки из сыпучего минерального заполнителя при механическом нагружении анкера в скважине;

— разработать анкеры, закрепляемые сыпучим минеральным заполнителем и обосновать их конструктивные параметры;

— обосновать основные технологические параметры установки механизации процесса заполнения скважин сыпучим материалом — УЗА-СМ;

— разработать технологию анкер-инъекционного крепления капитальных выработок на основе цементации трещиноватых горных пород и анкеров с сыпучим минеральным заполнителем.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий научный анализ и обобщение теории и практики крепления горных выработок, эффективности разработанных способов и конструктивных элементов крепления, результатов их внедрения, метод анализа размерностей, статистическую обработку результатов экспериментов. В том числе, при решении задач использованы экспериментальные стендовые исследования фильтрации и отфильтровывания при плоском движении суспензии на различных моделях искусственной щели и методы электронной микроскопии - 1-2 задачи; оценка проникающей способности твердых частиц разной формы через щелевое пространство гравитационной решетки - 2 задача; нагружение сыпучих материалов в щелевом пространстве, графические и экспериментальные методы строительной механики и механики сыпучих сред - 3 задача; нагрузочные испытания анкерной крепи в искусственной скважине на разрывной машине - 4 задача; методы механики сплошных сред - 1-4 задачи; экспериментальные натурные исследования разработанных конструкций и технологий (нагрузочные испытания экспериментальных образцов крепи, хронометраж технологических циклов, регистрация сбоев, работы узлов и элементов конструкций на отказ), технико-экономический анализ эффективности разработанных элементов технологии анкер-инъекционного крепления - при решении 5 и 6 задач.

Объект исследования: технология комбинированного крепления, консолидирующего приконтурный массив трещиноватых пород при проведении и поддержании горных выработок угольных шахт.

Предмет исследования: технология анкер-инъекционного крепления капитальных выработок с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя.

Научные положения, защищаемые автором:

— процесс заполнения трещин цементным раствором при постоянном инъекционном давлении и локальном отфильтровывании жидкой фазы происходит с неравномерной упаковкой и скоростью движения частиц, сопровождаясь скачком расхода, что описывается кубической зависимостью массового расхода по цементу от линейной плотности потока частиц цемента;

— массовые цементно-водное отношение а и расход раствора по цементу в процессе цементации трещин при отфильтровывании жидкой фазы через дренажные скважины связаны между собой параболической зависимостью с наличием максимума при значениях коэффициента формы частиц цемента от 0,4 до 0,65 и а от 0,5 до 2;

— втулка из сыпучего минерального заполнителя при механическом нагружении анкера зонально структурируется с образованием по поверхностям сдвига и эстафетной перекомпоновкой слоев распора, при этом зоны пластических деформаций на уровне и под головкой анкера распространяются на расстояние до 5 диаметров скважины, а полное вырождение структурных смещений происходит на расстоянии зоны от 5 до 20 диаметров скважины;

— разработанная конструкция анкера закрепляется в скважине сыпучим минеральным заполнителем за счет сил трения, сцепления и дилатансии при

5

использовании песка фракцией (0,1-1,0)-10"3 м с содержанием глины до 4 % и влажностью 6%, величине кольцевого зазора между стенкой шпура и головкой анкера (1,0-1,5)-10~3 м, длине головки 45-10~3 м и ее угле заклинивания от 10° до 90°;

— основными параметрами УЗА-СМ, обеспечивающими качественное закрепление анкеров с высокой скоростью, являются производительность от 0,33 кг/с, коэффициент заполнения скважин сыпучим минеральным заполнителем более 0,6, зависящий от показателя аэродинамического уплотнения от 25 кг-с/м4 и скорости вылета частиц от 5 до 30 м/с из сопла установки при его расстоянии до забойной зоны скважины 0,5-0,6 м;

— разработанная технология анкер-инъекционного крепления включает в себя комплекс решений по созданию сетки дополнительных дренажных скважин с установкой в них анкеров с сыпучим минеральным заполнителем, радиальному к оси дренажных скважин отфильтровыванию жидкой фазы с ее свободным сбросом, отфильтровыванию жидкой фазы при нагнетании раствора через инъекционные анкеры или скважины с анкерами, заполненными сыпучим минеральным заполнителем только на минимально необходимую для равнопрочного закрепления длину втулки.

Научная новизна работы заключается:

— в установлении влияния локального отфильтровывания жидкой фазы на процесс заполнения трещин цементным раствором при постоянном инъекционном давлении;

— в установлении зависимости массового цементно-водного отношения от расхода раствора по цементу в процессе цементации трещин при от-фильтровывании жидкой фазы через дренажные скважины;

— в выявлении процессов зонального структурирования втулки из сыпучего минерального заполнителя при механическом нагружении конструкции анкера в скважине;

— в обосновании конструктивных параметров разработанных анкеров, закрепляемых сыпучим минеральным заполнителем (песком) применительно к исследуемой технологии анкер-инъекционного крепления;

— в обосновании основных технологических параметров установки УЗА-СМ, обеспечивающих качественное закрепление анкеров в скважинах различного расположения в пространстве с высокой скоростью и формирующих фильтрующую среду для цементных растворов;

— в разработке технологии анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок, включающей в себя комплекс научно обоснованных решений по консолидации трещиноватых пород цементацией с дренированием жидкой фазы раствора через группы скважин с предварительно установленными анкерами и сыпучим минеральным заполнителем.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

— применением апробированных классических методов строительной механики и механики сыпучих сред, методов механики сплошных сред, теории подобия и математической статистики, методов электронной микроскопии;

— удовлетворительной сходимостью (расхождение не более 10 %) результатов аналитических, экспериментальных лабораторных, натурных исследований конструктивных и технологических характеристик элементов анкер-инъекционного крепления трещиноватых горных пород;

— положительными результатами опытно-промышленной проверки технологий инъекционного упрочнения массива горных пород с дренированием жидкой фазы раствора и основных несущих конструктивных элементов анкер-инъекционного крепления - АКМЗ и технологии их возведения при помощи УЗА-СМ в процессе проходки 4 экспериментальных участков выработок угольных шахт Кузбасса общей протяженностью 91 м.

Личный вклад автора заключается:

— в анализе и обобщении результатов известных теоретических и экспериментальных исследований в области крепления горных выработок и упрочнения горных пород, постановке и выполнении задач данного исследования, в разработке методик и проведении экспериментальных исследований (часть в соавторстве), в обосновании, разработке и формулировке всех положений диссертационной работы;

— в установлении влияния дренажа жидкой фазы па процесс заполнения трещин цементным раствором;

— в установлении зависимости массового цементно-водного отношения от расхода раствора по цементу в процессе цементации трещин при от-фильтровывании жидкой фазы через дренажные скважины;

— в выявлении процессов зонального структурирования втулки из сыпучего минерального заполнителя при механическом нагружении конструкции анкера в скважине;

— в обосновании конструктивных параметров разработанных анкеров, закрепляемых сыпучим минеральным заполнителем (песком) применительно к иссл здуемой технологии анкер-инъекционного крепления;

— в обосновании основных технологических параметров установки УЗА-СМ, обеспечивающих качественное заполнение скважин сыпучим минеральным заполнителем для закрепления АКМЗ и формирования фильтрующей среды цементных растворов, в разработке конструкции рукояти управления;

— в разработке технологии анкер-инъекционного крепления капитальных выработок на основе цементации трещиноватых горных пород и анкеров с сыпучим минеральным заполнителем.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей процесса фильтрационного течения нестабильных цементных растворов, совмещенного с работой АКМЗ при упрочнении горных пород с одновременным отфильтровыванием жидкой фазы раствора через сыпучий материал дренажных скважин; в выявлении рациональных параметров процесса упрочнения нарушенных пород и обосновании на их основе технологии анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок, обеспечивающих консолидацию приконтурного массива.

Практическое значение работы. Применение разработанных конструкций и способов, созданных рекомендаций, методик исследований и рас-

четов основных параметров анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок позволяет в дальнейшем управлять состоянием массива горных пород, повысить качество цементации и устойчивость контура, снизить материалоемкость и стоимость крепления.

Реализация работы. Основные положения диссертационной работы вошли в РД (Методические указания по технологии консолидации нарушенных приконтурных пород горных выработок инъекционной цементацией и анкерами с сыпучим минеральным заполнителем / КемНЦ СО РАН, КузГТУ, ИУ СО РАН, ООО «ППЦ Кузниишахтострой». - Кемерово, 2011.-41 е.). Разработанные последовательности расчетов, рекомендации по условию применения и выбору рациональных параметров, результаты стендовых и шахтных испытаний, технические решения, использованы для разработки технической документации и паспортов крепления горных выработок. Основные элементы технологии анкер-инъекционного крепления прошли стендовые и предварительные натурные испытания на 4 экспериментальных участках горных выработок шахт «Комсомолец» ОАО «Ленинскуголъ» и «Краснокаменская» ПО «Прокопьевскуголь» общей протяженностью 91 м. Результаты исследований в области фильтрации цементных растворов и разработанная научно-методическая база использованы в Шаньдунском научно-техническом университете (г. Циндао, Китай) при проведении исследований, разработке и проектировании новых технологий крепления выработок угольных шахт.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки» 1998 г. (ИУУ СО РАН, КузГТУ, Кемерово); международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» 1999 г. (КузГТУ, Кемерово); международной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук» 2006 г. (ИГД СО РАН, Новосибирск); Китайско-Российской международной конференции «Проблемы подземного и надземного строительства» 2008 г. (Шаньдуньский научпо-технический университет, г. Циндао, Китай); конференции «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (с участием иностранных ученых) 2008 г. (ИГД СО РАН, Новосибирск); международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» 2008 г. (СибГИУ, Новокузнецк); научно-практической конференции «Управление механическими процессами дезинтеграции, инъекционного уплотнения и переработки горных пород» 2009 г. (КузГТУ, Кемерово); VIII международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах» 2009 г. (КузГТУ, Кемерово); VI Российско — Китайском симпозиуме «Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений» 2010 г. (КузГТУ и Шаньдунский научно-технический университет, Кемерово); ХШ международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири», СИБРЕСУРС-2010 (КузГТУ, Кемерово); ежегодных научных конференциях студентов, аспирантов и преподавателей КузГТУ 20048

2010 гг. (Кемерово), научных симпозиумах «Неделя горняка» — 2007, 2009, 2010 г.г. (МГГУ, Москва); международных научно-практических конференциях «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности», Экспо-Уголь 2010, 2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 научных работ, в том числе 9 публикаций в периодических изданиях из перечня ВАК РФ, 11 патептоп па изобретения РФ и 1 монография.

Объём и структура диссертации. Состоит из введения, 8 глав и заключения, изложенных на 294 страницах, содержит 83 рисунка, 23 таблицы, список литературных источников из 212 наименований, 3 приложения.

Автор признателен за помощь при выполнении работы д.т.н., профессору, заслуженному деятелю науки РФ В.А. Хямяляйнену, д.т.н., профессору, заслуженному деятелю науки РСФСР В.Ф. Горбунову, а также к.т.н., с.н.с. ИУ СО РАН В.Е. Ануфриеву, труды и идеи которого явились основой при разработке анкерного крепления.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведено состояние вопроса по изученной проблеме. С целью обеспечения надежной работы крепей и повышения устойчивости горных выработок в сложных горно-геологических, гидрогеологических и горнотехнических условиях в последние годы все в больших объемах применяются тампонаж закрепного пространства и инъекционное упрочнение при-коптурпого массива, предлагается применение комбинированных крепей с управляемой несущей способностью.

Исследованием тампонажа и инъекционного упрочения трещиноватых пород занимаются в МГГУ, СПбГУ, ИГД им. A.A. Скочинского, ПО «Спецтампонажгеология», в комбинатах «Днепрошахтострой», «Кузбасс-шахтострой», ДонУГИ, МГУ, МакИСИ, СибГИУ, УГГУ, Кузбасском и Пермском государственных технических университетах, Гидроспецпроекте, ВНИИГе им. Б.Е. Веденеева, ЦНИИСе, ВНИИОМШСе, ВИОГЕМе, ОАО «КузНИИшахтосгрой» и других научно-исследовательских и производственных организациях.

Современный уровень развития инъекционных технологий при проходке горных выработок и упрочнении породного массива достигнут благодаря работам А.Н. Адамовича, И.Т. Айтматова, А.Н. Александрова, Э.Э. Ал-ласа, A.A. Баряха, И.В. Баклашова, Ю.В. Буркова, И.И. Вахрамеева, H.H. Волкова, П.П. Гальченко, Ё.Г. Дуды, Е.Б. Дружко, В.В. Евтушенко, Л.М. Ерофеева, Ю.З. Заславского, Е.П. Калмыкова, А. Камбефора, Б.А. Картозия, И.В. Качана, Э.Я. Кипко, А.Б. Кондратова, Б.И. Кравцова, Ю.Н. Куликова, Г.И. Комарова, В.А. Лагунова, Н.Т. Логачева, А.З. Литвина, Г.Г. Литвинско-го, О.Ю. Лушниковой, А.П. Максимова, Г.И. Маньковского, В.И. Митракова, И.Д. Насонова, В.В. Першина, Ю.А. Полозова, Б.Д. Половова, С.М. Просто-ва, Е.Б. Росстального, М.А. Саламатова, Ю.Н. Сгшчака, П.С. Сыркина, Н.Г. Трупака, A.B. Угляницы, Г.С. Франкевича, В.Н. Фрянова, В.Г. Хейфеца, В.А. Хямяляйнена, A.A. Шилина, М.Н. Шуплика и др.

Для шахтного строительства представляют интерес исследования, выполненные в области гидротехнического строительства применительно к цементации горных пород вокруг тоннелей, в основаниях и теле плотин, в основаниях подземных зданий и сооружений ГЭС. Данные исследования отражены в трудах А.Н. Адамовича, Э.Э. Алласа, В.Ф. Илюшина, JI. Иовановича, Д.В. Колтунова, Б. Куюнджича, B.C. Мазура, А.Н. Мещерякова, В.М. Насберга, П.У. Пошшагкина, 3. Родославлиевича, Г.Г. Хачикяна, B.C. Эри-стова и др. Важны результаты исследований цементации применительно к условиям нефтяных, газовых, разведочных и технических скважин, отраженные в работах А.И. Булатова, A.C. Волкова, Р.Н. Тевзадзе, Р.Ф. Уханова и др.

Из анализа вышеприведенных работ следует, что технология инъекционного воздействия на массив растворами на основе вяжущего развивалась в основном применительно к созданию противофильтрационных завес. При этом разработаны теоретические основы гидродинамики стабильных и нестабильных тампонажных растворов, рекомендации по технологии и режимам закачки растворов. Доказано, что самым простым, дешевым и весьма эффективным средством обеспечения устойчивости породных обнажений в самом широком диапазоне горнотехнических и горно-геологических условий, является инъекционное упрочнение цементацией.

Основными причинами, сдерживающими применение инъекционного упрочнения, являются отсутствие соответствующего научного обоснования, учитывающего водоотдачу цементных растворов, отсутствие конкурентоспособных конструкций крепи и комплексных технологий возведения несущих оболочек вокруг выработок.

Для управления состоянием приконтурной зоны и увеличения ее несущей способности, также в качестве временной облегченной крепи, целесообразно применение анкеров. Значительный вклад в развитие анкерного крепления в России внесли ИГД им. A.A. Скочинского, МГГУ, СПбГУ, ВНИМИ, КузНИУИ, ИГД СО РАН, ИУ СО РАН, ВНИИГидроуголь, Шахт-НИУИ, КузНИИшахтострой, КузГТУ и др.

Практическую ценность для сложных условий представляют беззамковые классы активных анкерных крепей, реализующих при своей работе распределенную нагрузку на контур скважины. Особо необходимо отметить работы ИГД СО РАН связанные с созданием новых конструкций анкеров, закрепляемых МЗ, изучением механизма взаимодействия МЗ со стенками скважин в процессе нагружения, заполнением скважин песком (Е.И. Шемякин, С.Б. Стажевский, А.Ф. Ревуженко и др.).

Дальнейший анализ комбинированных технологий доказывает необходимость развития анкер-инъекционного крепления на базе цементных растворов и МЗ, актуальность научного обоснования параметров для решения проблемы обеспечения устойчивости контура нарушенных горных пород, снижения материалоемкости и трудоемкости работ при строительстве и эксплуатации капитальных выработок.

Таким образом, сформулированы цель, основная идея и задачи исследований, решение которых отражено в следующих главах работы.

Во второй главе приведено решение первой задачи.

Исследован процесс фильтрационного течения цементного раствора в пространстве щели при изменении его массовой концентрации. Цементные растворы в данной работе рассматриваются как водо-твердые суспензии, представленные в виде гетерогенной системы, когда сжимаемостью фаз и инерционными силами из-за ускорения материальных частиц можно пренебречь. Непосредственно движение суспензии рассматривается как гидротранспорт дисперсных частиц, образующих поток с определенной плотностью.

При цементации трещин горных пород использование кизкоконцен-трированных растворов обусловлено необходимостью повышения их проникающей способности. В процессе течения цементных растворов в пространстве трещины происходит отфильтровывание жидкой фазы с непрерывным повышением концентрации и изменением структурно-реологических характеристик.

В соответствии с работами Graham В. Wallis и Р.И. Нигматулина по механике многофазных сред известно, что в двухфазном течении, при наличии зависимости между расходом и концентрацией всегда наблюдаются волновые процессы при массопереносе частиц. Учитывая данный факт, для оценки скорости движения и расхода цементных частиц в плоскопараллельном потоке раствора его массовую концентрацию по цементу представим в виде массового распределения цемента по длине трещины при ее известных линейных размерах, т.е. в виде линейной плотности потока раствора / (кг/м):

,.= мд = Ц

А V^P (Ц/Рц+В/Рв)^' где — масса цемента в трещине, кг; V? - объем раствора в трещине, м3; STр - площадь трещины, м2; Ц и В — относительное массовое содержание цемента и воды в растворе концентрацией а = Ц:В; рц и р„ — плотность соответственно цементной частицы и воды, рц = 3000 кг/м3, ра = 1000 кг/м3.

Серия экспериментов по перепуску фиксированных порций цементного раствора с ПЦ М400 разной концентрации при фиксированном давлении проведена на модели искусственной щели раскрытием 2 ■ 10"3 м, длиной 1 м и шириной 70-10"3 м с наведенной шероховатостью на внутренней поверхности непроницаемых стенок и соблюдением критериев гидродинамического подобия.

При анализе результатов исследований получена кубическая зависимость массового расхода по цементу Qm (кг/с) от линейной плотности потока частиц цемента / (рис. 1). Зависимость аппроксимируется участком полинома третьей степени Qm = —0,00018-/3 + 0,027-/2 + 0,72-/ при R2 = 0,971.

Классическая форма кривой подтверждает факт образования волн приливов плотности частиц цемента в потоке суспензии при наличии дренажа в конце трещины. При этом, зная концентрацию раствора на конкретном участке трещины всегда можно определить скорость потока частиц цемента и их расход. Скорость движения частиц цемента Уц в потоке при начале цементации трещины определяется углом наклона прямой 0D к горизонту, что соответствует значению arctgVy и изменяется неравномерно.

11

От, кг/с

Рис. 1. Зависимость изменения массового расхода по цементу от линейной плотности потока частиц цемента при его истечении из щели

Если в потоке отсутствует дисперсная фаза, то / = 0, когда частицы расположены вплотную друг к другу, соответственно X = Хтах-

Процесс заполнения щели от точки £> при начальном значении соответствуют положительному наклону кривой £)„,(%) в диапазоне значений между точками ОА. После начала отфильтровывания жидкой фазы суспензия структурируется. Новое значение х распространяется навстречу потоку. В точке Ы, изображающей новую ситуацию, кривая имеет отрицательный наклон, переходя точку максимума А. Причем одному и тому же значению От могут соответствовать два различных значения ■/■ Повышение линейной плотности потока частиц цемента по мере отфильтровывания жидкой фазы

етах

т и возвратом

к исходному. Волна прилива плотности движется навстречу потоку с отрицательной скоростью К, (скорость движения границы раздела раствора), соответствующей углу наклона линии 1)И к горизонту.

В области ВС графика плотность потока непрерывно изменяется. При линейной плотности потока частиц цемента близкой к %2 раствор находится в состоянии структурированной смеси, что инициирует частичное кратковременное заклинивание частиц цемента. При повышении значения более Х2 выход раствора из щели осуществляется в режиме пульсации — периодического изменения общего расхода. Повышение концентрации испытываемого раствора до Хтах приводит к закупориванию щели. Конечное время нагнетания раствора в трещину ограничено временем схватывания цемента, останавливающим все описанные процессы. Значение Хтах Для уплотненной структуры частиц распространяется от места отфильтровывания по длине трещишь со скоростью скачка Утах, соответствующей тангенсу утла наклона касательной К кривой (2т(х), проведенной ИЗ ТОЧКИ X = Хтах-, <2т = 0.

Таким образом, значение линейной плотности потока суспензии для зависимости 0,„(х) может иметь следующие принципиальные значения: до точки максимума — участок ОА; непосредственно в точке максимума А; после

точки максимума до начала пульсаций потока — участок АН: в процессе пульсаций ДО Хтах - участок ВС.

Выявленная неравномерность скорости движения частиц, сопровождаемая скачком массового расхода потока по цементу, предполагает и неравномерность упаковки частиц по длине трещины. Для подтверждения указанного исследован процесс структурирования частиц цемента при цементации одиночной трегцины с отфильтровыванием жидкой фазы в конце потока.

Плоскопараллельный поток цементного раствора движется под давлением нагнетания Р„ из нагнетательной скважины по вскрытой трещине при-контурной зоны в сторону дренажной скважины, заполненной песком (рис. 2). Проницаемость стенок трещин не учитывается.

Дренаж 1

Рис. 2. Стадии структурирования цементного раствора при отфильтровывании жидкой фазы в конце плоскопараллельного потока

Фильтр

Дренаж

Фильтр

Из нагнетательной скважины суспензия попадает во вскрытую трещину приконтурной зоны и движется по ней к дренажной скважине с относительно постоянной скоростью, превышающей критическую безосадочную. Момент достижения фильтрующей среды и заполнения полости трещины соответствует достижению точки В (рис. 1).

Учитывая результаты замеров величины порового пространства на микрофотографиях (растровый электронный микроскоп «1ео16390 ЬА») структуры частиц цемента в образцах цементного раствора с различных участков стенда фильтрационной дренажной щели выделено три структурные стадии, последовательно переходящие одна в другую:

А — частицы цемента находятся в свободном взвешенном состоянии. Фильтрование «с постепенным закупориванием пор» и последующая кольма-тация устьев пор фильтрующего элемента (втулки МЗ) с образованием устойчивых «мостиков» из расклиненных между собой частиц цемента. На границе суспензия-фильтр образуется гонкий контактный слой в виде фильтровальной перегородки (рис. 2а). При этом система начинает работать как

13

фильтр-патрон с щелевым подводом суспензии. Следующие слои доставленных гидротранспортом частиц вместе с устойчивыми «мостиками» срабатывают как клапан — «клапанный» эффект, чем и объясняется резкое повышение давления нагнетания суспензии при начале отфильтровывания ее жидкой фазы.

Б — частицы цемента в состоянии структурированной смеси, заполняющей при флокуляции весь объем в режиме «мостообразования» с высокой пористостью (агрегатное течение). Прирост плотности с движением волны плотностного прилива по длине трещины происходит в направлении движения суспензии — «эффект прямого прилива плотности». Временная стабилизация интенсивности водоотдачи после формирования контактного слоя объясняется переходом работы системы в режим «образования осадка», прирост которого сохраняется до некоего критического значения давления нагнетания Ркр-1, предельного для равновесия системы «мостиков». В данный период происходит отфильтровывание основного объема жидкой фазы. Дальнейший прирост плотности происходит от дренажной скважины в режиме обратной плотностной волны и распространяется по трещине навстречу потоку — «эффект обратного прилива плотности». Уплотненную зону возможно рассматривать как совокупность губчатых тонких слоев, расположенных параллельно поверхности фильтрования. Пористость каждого слоя при фильтровании непрерывно уменьшается во времени. Часть жидкости, удаляемая из пор, присоединяется к основному потоку жидкой фазы суспензии. Одновременно происходит перемещение мелких частиц цемента в направлении движения потока. Заполнение трещины смесью в стадии Б происходит до определенной точки, длины Ь1 (рис. 26), где суммарный прирост сопротивления движению жидкой фазы суспензии вызывает повышение давление нагнетания выше значения Ркр.1. Происходит разрушение нестабильных «мостообразований», перекомпоновка структуры частиц и их уплотнение, со сдвижением условной границы А-Б в сторону отфильтровывания по течению потока на величину Ах/ до участка длинной Ь^лх1 (рис. 2в). Прирост сопротивления при уплотнении первого участка вызывает повышение давление нагнетания до некоторого значения Ркр_2 и дальнейшее структурирование смеси до стадии Б уже перед зоной Ь1.Лх1 на величину Ь2 (рис. 2г). Аналогичный последующий рост давления нагнетания до некоторого значения Ркр.] вызывает смещение второго участка на величину Лх2 до зоны и на первом участке на величину Ах/2, сжимая его уже до зоны Ь1.Лх1.Лх12, и так далее. Процесс уплотнения частиц имеет предел, достигает своего максимума в донной части трещины, где переходит в следующую стадию.

В - частицы цемента в состоянии уплотненной структуры (получаемый цементный камень обладает определенными прочностными свойствами). При выравнивании сил сопротивления движению и давления нагнетания суспензии, фильтрация прекращается вместе с процессом цементации.

Таким образом, при цементации трещины прирост плотного слоя по длине происходит на величину ЬП и откатом на величину Лх„, суммарно прирастающей от очередных смещений каждой зоны. При этом Лх1>Лх2>Лкт

£¡>12>Ьп И стремятся К нулю, а В СВОЮ очередь Ркр-1<РКр-2<Ркр-л и стремится к бесконечности. Очевидна неравномерность образованной упаковки частиц цемента по длине трещины при указанных условиях.

Исследован процесс водоотдачи при отфильтровывании жидкой фазы цементных растворов в прозрачной фильтрационной камере с фильтрующим элементом из МЗ по методике «КузНИИшахтострой». При этом установлено следующее: — при плавном повышении давления в камере процесс отфильтровывания жидкой фазы через песок стабилен и не сопровождается выносом мелких частиц цемента с фильтратом; — при динамическом (резком) повышении давления в камере происходит вынос мелких частиц цемента с полным прекращением отфильтровывания жидкой фазы вследствие известного «клапанного эффекта», либо происходит сброс цементного раствора с образованием крупных магистральных каналов; — сброс основного объема фильтрата через сыпучий материал при водоотдаче растворов происходит равномерно до давления 0,25 МПа; - остаточное массовое Ц:В отношение раствора при дренировании жидкой фазы составляет не более 4,12.

Исследован процесс цементации трещин с локальным дренированием жидкой фазы раствора на модели искусственной щели с прозрачной верхней частью, раскрытием 2 10"3 м, длиной 1 м, шириной 0,45 м. Сброс жидкой фазы осуществлялся в конце потока через патрубок диаметром 30-Ю3 м, заполненный чистым песком фракцией до 1,5-10"3 м. При этом установлено следующее: - интенсивность отфильтровывания жидкой фазы раствора через фильтрационные скважины зависит также от величины ее периметра в плоскости цементируемой пересекающей трещины и от состояния пристенной зоны фильтрующей среды в скважине, являющейся границей отфильтровывания; — при цементации с отфильтровыванием жидкой фазы раствора по всему объему трещины между нагнетательными и дренажными скважинами образуется разветвленная сеть каналов с магистральными руслами; — интенсивность отфильтровывания жидкой фазы раствора не зависит от структуры фильтрующей среды и в любом случае переходит к варианту с образованием фильтрующей мембраны из цемента-песка со скоростью фильтрации менее 1 м/сутки; — минимум скорости фильтрации ограничен пропускной способностью упаковки частиц цемента в трещине; — подтверждено, что наиболее эффективен режим нагнетания раствора с низким давлением не более 0,5 МПа, а отсутствие резких колебаний расхода и давления обеспечивает максимальную интенсивность сброса фильтрата, сопровождающимся образованием уплотненной Структуры с фильтрацией Менее 0,2 м/сутки и резким подъемом давления нагнетания раствора.

Таким образом, результаты исследований показали на возможность эффективного отфильтровывания жидкой фазы раствора через сыпучий материал. Учитывая выявленные закономерности процесса заполнения трещин частицами цемента при цементации с отфильтровыванием жидкой фазы раствора через дренажные скважины необходимы исследование и обоснование технологических параметров процесса цементации трещиноватых горных пород с дальнейшей разработкой способов анкер-инъекционного крепления.

В третьей главе приведено решение второй задачи.

Исследована проникающая способность цементных растворов с учетом формы твердых частиц. Проникающая способность является одним из определяющих критериев процесса цементации трещин. Известно, что цементации поддаются трещины с раскрытием не менее (0,1-0,2) 10° м.

Критерием проникающей способности К„ является отношение расхода раствора и воды через устье трещины при одной величине ее раскрытия и одинаковом давлении

Кп = (У&,

где QpИ Qв- расходы цементного раствора и воды.

Расход раствора через устье трещины можно представить как функцию четырех независимых друг от друга переменных

0.Р =/е (Д а> Рск),

где д - величина раскрытия трещины на устье; = с1„пп / с1тах - коэффициент формы - соотношение минимального к максимальному размеру твердой частицы; а — концентрация твердых частиц в растворе (массовое Ц:В); Рск — давление (напор) потока в скважине. По замерам габаритов сухих частиц цемента на микрофотографиях с растрового электронного микроскопа «.Тео! 1БМ 6390 ЬА» Кц, = 0,4-0,65.

В случае идеальной проникающей способности раствора К„ = 1. Предельный случай, когда К„ = 0 отвечает явлению кольматации трещин - сво-дообразованию частиц цемента, варианты которых представлены на рис. 3.

а б в г

Рис. 3. Схемы сводообразования для частиц неправильной формы на устье и по длине трещины: а, в- прямой и б, г- обратный своды

Развивая известную теорию и практику цементации «КузНИИшахто-строй», для оценки интенсивности процесса прохождения определенного объема твердых частиц W, м3 через щелевые отверстия площадью S, м2, проведено 300 опытов на модели гравитационной колосниковой решетки. Модель изготовлена в виде плоской вертикальной щели с постоянной шириной 10-10~3 м, образованной двумя пластинами стекла, с загрузочной воронкой и сменным блоком однорядной колосниковой решетки в нижней части, с расстоянием между колосниками D. Испытывали«, частицы разной формы с Аф = 0,254; 0,406; 0,531 и 0,767. Связь формы частиц, показателя г, - dmiJD и соотношения W/S представлена на рис. 4.

Для дисперсных частиц фиксируется наличие влияния их формы на процесс их прохождения сквозь щелевые отверстия. При прочих равных условиях угловатые частицы при значениях г/ от 0,85 до 1 практически во всех опытах не проходят через решетку, образуя наиболее устойчивые по сравнению с округлыми частицами «сводики». В свою очередь, при измене-

нии показателя ц менее 0,85 угловатые частицы более легко переходят в состояние лавинного сброса сквозь решетку. Свободное состояние частиц, перемещения которых возможны со свободным взаимным проворотом, приводит к бо'льшей устойчивости структуры из округлых частиц. В зависимости от показателя г\ кольматация трещин реализуется в виде прямых или обратных сводов частиц (относительно направления потока).

/\ф - 0.767 Аф = 0.531 Аф = 0,406 Аф - 0.254

0 5 10 15 20 Ц

Рис. 4. Связь показателя ц и интенсивности процесса прохождения твердых сухих частиц сквозь щелевые отверстия решетки

Проникающая способность цементных растворов в трещины кроме прочего зависит от формы частиц цемента, что отражает расхождение полученных нелинейных зависимостей. Для улучшения условий фильтрации растворов в трещиновато-пористые породы необходимо использование дополнительных технологических приемов.

Исследовано течение суспензий в трещине с учетом седиментации частиц. Используя известные подходы к исследованию течения гидросмесей (суспензий) [В.В. Трайнис] и цементных растворов [В.А. Хямяляйнен и др.], аналогично рассуждая, методами теории подобия и размерностей получено выражение для определения полного гидравлического сопротивления трещин / (Па/м) при движении в них нестабильных цементных растворов — представлено в виде суммы сопротивлений движению жидкой фазы и дополнительных сопротивлений, возникающих при транспортировании цементных частиц

При установлении вида данной зависимости, учитывая физику процесса распространения цементных растворов (суспензий), в качестве определяющих прияты следующие критерии подобия: Ке = у8/(2\>а) — число Рей-нольдса; / = — коэффициент гидравлического сопротивления

трещины движению воды; Ей — А 1/(рвц) - число Эйлера; Рг = g8/у2 - число Фруда для вчвесепесущей жидкости; Рг* = %йср/]2 -число Фруда для цементных частиц; (рц — рв)/рв - относительная плотность; Б = Ц/(Ц + В) -массовая концентрация цементных частиц в растворе; Кф — коэффициент формы частиц цемента. В представленных критериях подобия: V — скорость

17

движения жидкой фазы, м/с; V,, — коэффициент кинематической вязкости воды, м2/с; 5 — величина раскрытия трещин, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; йср - характерный размер цементных частиц, м; рв и рц - соответственно, плотность воды и цементных частиц, кг/м3; ув — удельный вес воды, Н/м3; ./ — гидравлическая крупность цементных частиц, м/с; /„ - гидравлические сопротивления трещины движению жидкой фазы, Па/м.

Критическую скорость движения цементных растворов при аналитических расчетах определяем как скорость, соответствующую минимуму гидравлических сопротивлений. Для этого исследуя полученное выражение на минимум, учитывая, что ув = gpв, получим

где к — поправочный эмпирический (размерный) коэффициент; п — эмпирический показатель степени (экспериментально определен «Куз-НИИшахтострой»),

Учитывая, что седиментация цементных частиц (особенно крупных) начинается при несколько больших скоростях движения раствора, по аналогии с исследованиями движения угля по трубам И.А. Силина и Ю.К. Витош-кина, значение введенного коэффициента принято равным к = 1,25.

При инженерных расчетах vкp определяют по приближенной формуле

укр = Ь- К1'7 ■

где Ъ — эмпирический коэффициент, принимаемый для Ц:В = 1:1; 1:3 и 1:8, равным, соответственно, 8,5; 5,1 и 3,1, а для промежуточных концентраций — получаемый путем интерполирования, м°'5/с (экспериментально определен «КузНИИшахтострой»),

Следствием седиментации цементных частиц является отфильтровы-вание жидкой фазы по длине потока. Наличие информации о критических скоростях движения раствора в трещинах позволяет оценить интенсивность этого отфильтровывания и предельный радиус распространения раствора по трещине.

В конечный момент нагнетания раствора в скважину при постоянном давлении расход уменьшается до нуля, переходя к пределу при (}ск —> 0.

Исследовано распространение потока цементного раствора и приливов плотности между инъекционной и дренажной скважинами. Учитывая экспериментальную зависимость Qm{x), где графически определена скорость движения частиц в потоке раствора при их различной концентрации, возможно уточнение известного соотношения «КузНИИшахтострой» для предельного радиуса цементации. При этом в качестве минимальной скорости движения частиц цемента принимается некоторая предельная, в точке В начала пульсаций потока, соответствующая тангенсу угла наклона прямой 0В к горизонту (рис. 1).

Также, графически определена скорость движения границы раздела раствора — волны прилива плотности, движущейся навстречу потоку с отрицательной скоростью V. Значение у_тах для полностью уплотненной структуры

частиц распространяется от места отфильтровывания по длине трещины со скоростью скачка Vmax, соответствующей тангенсу угла наклона касательной К кривой Qm(х), проведенной ИЗ ТОЧКИ Х^Хтах, Qm = 0.

Соответственно, дальность распространения волны прилива максимальной плотности частиц будет равна

H=V-t,

где t - время отфильтровывания жидкой фазы раствора в процессе цементации, которое не может быть более времени схватывания раствора.

При V = Qm / х, дальность распространения волны прилива плотности от дренажной скважины к нагнетательной

H=t • Qm / X,

что позволяет определить минимальное время выдержки под давлением нагнетательных скважин после начала отфильтровывания жидкой фазы через дренажные скважины. Расстояние между нагнетательными и дренажными скважинами должно быть не более предельного радиуса цементации.

Исследовано влияние концентрации цементного раствора на процесс массопереноса твердой фазы. При анализе результатов вышеуказанных исследований выведена зависимость изменения массового расхода Q,„ по цементу от массовой концентрации раствора а (Ц:В) при его истечении из щели (рис. 5). Для сравнения показана аналогичная зависимость, представленная только в виде объемного расхода раствора Qv(a), применяемая на практике при стандартном общеупотребимом подходе. Очевидна необходимость пересмотра существующих нормативов и регламентов в области цементационного упрочнения и тампонажа горных пород.

Рис. 5. Зависимости изменения массового расхода Qm по цементу от массовой концентрации раствора (X (Ц:В) при его истечении из щели

Зависимость (2„(а) аппроксимируется параболой 0,„ = К,- К 2 а + К3, где для ПЦ М400 К, = -114,20; К2 = 273,66; К3 = 0 при Я2 = 0,970.

В экстремуме функции имеется максимум потока с производительностью Qmma*, что соответствует рациональному значению концентрации раствора «/ с позиции обеспечения максимальной производительности процесса заполнения трещины твердой фазой ил и пропускной способности трещины. Максимально допустимая концентрация раствора для цементации трещин соответствует значению «2. Предельная концентрация раствора соответствует минимальной производительности Qmmm = 0. Таким образом, зависимость От(а) описывает основные технологические параметры процесса цементации трещин с отфильтровыванием жидкой фазы раствора через дренажные скважины. Указанная зависимость действительна при значениях коэффициента формы частиц цемента от 0,4 до 0,65 и массового цементно-водного отношения а от 0,5 до 2, влияя на скорость потока и радиус цементации. Учет результатов исследований обеспечивает рациональный предпроектный анализ.

Для дальнейшей реализации работы необходима разработка и обоснование основных конструктивных элементов анкер-инъекционного крепления — специализированных анкеров, которые при своей основной работе позволят совместить процессы нагнетания цементного раствора и отфильтровывания его жидкой фазы.

В четвертой главе приведено решение третьей задачи.

Исследован процесс структурообразования сыпучего материала при нагружении анкерной крепи. Работа созданной конструкции АКМЗ (см. также главу 5) основывается на известном свойстве сыпучего сопротивляться сдвиговым деформациям, за счет развивающихся при нагружении сил трения, сцепления и процессов дилатансии.

Для их оценки создан стенд в натуральную величину в виде искусственной прозрачной щели с раскрытием 6 -10"3 м, образованной двумя листами толстого стекла, которые зафиксированы поперечными скрепами. По краям в щели неподвижно закреплены продольные направляющие, между которыми вложена подвижная плоская тяга - полоса с Г-образным выступом. Тяга соединена с корпусом стенда винтовой парой, вращение которой создает осевое усилие для ее продольного сдвига. В процессе опытов проводилось механическое одноосное сжатие свободной (хаотичной) засыпки различных сыпучих материалов (СМ) при неподвижной жесткой стенке-вкладке, имитирующей внутреннюю поверхность скважины и при упругой вкладке из листовой резины для оценки действующих радиальных напряжений (рис. 6 и 7). Линиями выделены поверхности сдвижения упорядоченных структур частиц и направления их ротационного движения. В качестве сыпучего использовались зерна с Кф = 0,254; 0,406; 0,531 и 0,767.

В процессе нагружения СМ, в соответствии с классической теорией пограничного слоя Прандтля, движение устойчивых структур по длине ¡цепи, в зоне контакта с ее стенками, сопровождается активным развитием сил трения и сцепления. Соответственно, происходит и диссипация энергии, возникают большие градиенты напряжений по нормали к потоку, формируя стационарный пристенный слой, на определенном удалении от которого происходит течение уплотненного ядра.

Рис. 6. Этап нагружения СМ на щелевом стенде с упругой боковой стенкой

'' ' V'. о 'р-Щ" ' ' ■ ^ ' ' " ЧЧ'

ч-чч-ч,■

ийшчч. .: ч -

Рис. 7. Этап нагружения СМ на щелевом стенде с жесткой боковой стенкой

Постепенное смещение Г-образного выступа генерирует волны структурных перекомпоновок определенного мезомасштабного уровня. При этом волна переуплотняемой структуры движется в направлении приложенной силы Р («прямой прилив плотности»). Неустойчивые структуры в виде «мо-стообразований» легко разрушаются, смещаясь по схеме «сдвиг плюс поворот» со стремлением пространственного ориентирования максимального линейного размера каждой частицы перпендикулярно направлению действующего нагружения.

В определенный момент нагружения на некотором расстоянии от Г-образного выступа наблюдается формирование равновесной уплотненной структуры в виде «пробки», удерживающей дальнейшее распространение волн перекомпоновки по длине щели. От данной точки при последующем нагружении начинается движение волны прироста плотности навстречу действующей нагрузке («обратный прилив плотности») до момента достижения Г-образного выступа с образованием устойчивого однотипно структурированного объема.

Следующим этапом нагружения является срыв уплотненной структуры и ее движение в направлении действующей силы Р. Непосредственно срыв сопровождается звуковым эффектом, во время которого происходит одномоментный сток аккумулированной энергии в направлении приложенной нагрузки, реализующийся в зоне предельного равновесия. При этом формируются поперечные зоны разуплотнения. С учетом условия неизменности количества частиц в исследуемом щелевом объеме, очевидно, что за волной прилива плотности следует волна разгрузки (разуплотнения).

При дальнейшем росте нагрузки процесс повторяется по описанной схеме с постоянным приращением уплотненной структуры СМ по длине щели (скважины), стремясь к равновесному состоянию. При перекомпоновке структуры, в соответствии с известными законами механики сыпучих сред, происходит локализация сдвиговых деформаций с образованием линий скольжения, форма которых согласуется с известными основами теории механики сыпучих сред.

Максимальная плотность структуры достигается около «головки анкера», что наблюдается в виде периодического выхода «отраженных» линий скольжения СМ к поверхности упругой вкладки (рис. 6).

Описанный процесс структурирования сыпучего усложняется, ко всему прочему, образованием между линиями скольжения локальных зон завихрений, состоящих из группы частиц. Ротация частиц в процессе нагружения вызвана разницей в их относительных скоростях смещений при внутренней групповой перекомпоновке и скорости смещения ограничивающих поверхностей стенда.

В проведенных опытах при одинаковой нагрузке смещение Г-образного выступа при более угловатых частицах с К^ равным 0,767 было до 30 % меньше, чем смещение при засыпке из округлых частиц. В нагружаемых засыпках из угловатых частиц отмечено явное уменьшение расстояние между границами уплотненной структуры, где происходили срывы более устойчивых слоев распора с бо'лыним шумом и динамикой, чем у округлых.

Разработана модель работы АКМЗ с послойным распределением нагрузок и деформаций по высоте столба МЗ.

Работу АКМЗ можно рассматривать как процесс перемещения конструкции анкера в сплошной среде сыпучего МЗ с радиальным ограничением бокового смещения и заполняющей пространство с определенной плотностью. В то же время проявляется реальная дискретная структура заполнителя, определяющая в частности явления структурирования составляющих частиц и изменения объема при нагружении — дилатансию.

В строительной механике, рассматривающей работу грунтов (песков), наибольшее распространение получило условие прочности Мора - Кулона теории предельного равновесия сыпучей среды, из которого следует, что разрушение по некоторой площадке с нормалью п происходит при условии

Рит = |г„| - Оп^Ц) - с, где Рцт — предельное усилие нагружения, МПа; г„ - касательное напряжение, МПа и ег„- нормальное напряжение, МПа, действующие на площадке с нормалью п; с - сцепление, МПа. Поскольку при разрушении имеет место предельное состояние, Рит одновременно обращается в ноль.

Таким образом, предполагается возможность смещения именно по той площадке, для которой выполняется указанное условие, т.е. следует, что площадки сдвигов, по которым происходит разрушение, наклонены относительно действующих главных напряжений под углом

фсдв = к!4 - (Рвп трИ, где <рсЛ„ - угол сдвига; <рт тр - угол внутреннего трения МЗ.

При рассмотрении сыпучей среды важным фактором, влияющим на работу АКМЗ, является плотность начальной упаковки частиц, увеличение которой повышает жесткость и надежность закрепления анкера. Известно, что максимально высокая плотность упаковки частиц может обеспечиваться их высокой кинетической энергией при движении в потоке насыщенного влагой воздуха.

Из механики сыпучих сред известно, что высокая плотность упаковки частиц (коэффициент заполнения скважин МЗ до 0,8 м и влажность песка около 6 % увеличивают угол его внутреннего трения до 30° за счет увеличения площади контакта частиц и явления прилипания (при указанной влажности максимальна). Варьирование указанных факторов напрямую влияет на повышение сопротивления сдвигу и величину бокового распора в МЗ.

При нагружении АКМЗ происходит уплотнение и боковой распор МЗ, развиваются силы трения и сцепления, наблюдается образование поверхностей сдвигов под углом сдвига (рсдв. Головка анкерной крепи изготовлена в виде усеченного конуса и создает сдвиг частиц под углом, равным углу заклинивания а.Силы сцепления и треиия МЗ со стенками скважины достаточно велики и удерживают пограничный слой частиц в исходном до нагруже-ния положении. При дальнейшем увеличении нагрузки по поверхностям сдвигов МЗ образуются п микрослоев малой толщины, передающих вертикальные нагрузки Р„ на стенки скважины, распределяя их по длине. При этом каждый из слоев накладывается один на другой с взаимным влиянием, причем на каждый последующий (/" +7) слой действует нагрузка Рп{1+\)=Рв-Рп{1-\).

Таким образом, действующие на анкер нагрузки полностью компенсируются силами трения и сцепления МЗ, постепенно затухают и далее не передаются. Линии сдвига вырождаются, меняя угол сдвига от величины <рсдв = а до (рс<)„ = 90° к продольной оси анкера. При рабочей нагрузке АКМЗ и установлении равновесия системы «анкерная крепь — минеральный заполнитель — шпур» закрепляемую часть можно разделить на три зоны, отличающихся по характеру и интенсивности протекающих процессов (рис. 8).

Зона I. Характеризуется проскальзыванием цилиндрической части головки анкерной крепи по тонкому слою в кольцевом зазоре интенсивно сжатого и измельченного МЗ. При этом радиальное напряжение, передаваемое на стенки скважины, определяется из известного выражения

Рп = Л,,

где Рг1 - радиальное напряжение на стенке шпура в I зоне, кН; /, = 0,1 - коэффициент трения МЗ по стали; £ = 0,3 - коэффициент бокового распора; Рк — осевая нагрузка на анкер, кН.

Длина головки /., определяется из условия прочности резьбы на срез.

Зона II. Зона пластических деформаций, заклинивание МЗ. Действующие нагрузки превышают предел прочности МЗ на сжатие, образуется зона активно уплотненного ядра, по своим свойствам приравниваемого к песчанику. При предельной нагрузке песок под головкой анкера на интервале до 5 диаметров скважины измельчается с образованием уплотненного ядра,

наблюдаются значительные сдвиговые деформации, что явно видно при раскрытии искусственной скважины после нагружения образца АКМЗ.

Зона I

Зона II

Чопа ///

Рис. 8. Расчетная схема АКМЗ

Рациональным по условию прочности МЗ и условию работы крепи является соотношение а = (р,т тр = (рсде-

При соблюдении данного условия анкер реализует нагружение среды МЗ силами, направленными по нормали к поверхности возможного сдвига, частицы испытывают минимум срезающих нагрузок.

Известное решение задачи Прандтля на плоскости, использующей условия прочности Мора - Кулона теории предельного равновесия сыпучей среды, позволяет определить величину Lc - границу зоны пластических деформаций МЗ под головкой анкера

3 (л:/4-<рвв.Тр/2) -tg <рвн.тр

Lr =

2 5т(п /4 -<рвн.тр/2) где Д„ - диаметр шпура, мм.

Максимальное радиальное нагружение во II зоне определяется из соотношения

Рг11 — Рвц£д ( /4 — 1Рвн.тр/2), где Ртц и РцП - радиальное и осевое (вертикальное) напряжение на стенке шпура во II зоне соответственно, кН.

Зоны / и II можно охарактеризовать как место формирования основных процессов, влияющих на надежность и податливость АКМЗ.

Зона III. Зона упругих деформаций, распространяющаяся на расстояние до 15 — 20 /)ш, после которой радиальное давление на стенки отсутствует.

Определение конечной границы зоны возможно с использованием известного уравнения (ИГД СО РАН), определяющего необходимую длину втулки МЗ. Зависимость уточнена введением корректирующего коэффициента к = 0,86 и определенного исходя из величины отклонения измеренных значений при натурных исследованиях от расчетных.

Таким образом, граница ///зоны находится из выражения:

п БГ^-БгМ У УР \ 0 где Р - площадь кольцевого сечения, образованного грузонесущим стержнем и стенками шпура, см2; 5 — периметр сечения скважины, см; З/ - периметр сечения грузонесущего стержня, см; / — коэффициент трения между сыпучим материалом и стенкой скважины; Д — коэффициент трения между сыпучим материалом и грузонесущим стержнем; у — плотность сыпучего материала, г/см3; Р0 — проектная несущая способность анкерной крепи, кН; к = 0,86.

Результаты расчета и выбора допустимых параметров закрепляемой части анкерной крепи: длина головки грузонесущего стержня ЬТ равна 45ТО"3 м; угол заклинивания головки анкера равен 30°; величина кольцевого зазора между стенкой шпура и головкой анкера составляет (1-1,5)-10~3 м; расчетная величина границы III зоны для скважин диаметром (30^43)-10~3 м равна соответственно 0,63-0,81 м.

Таким образом, представленный минимум расчетных данных позволяет проводить дальнейший анализ и исследование работы АКМЗ. Определяющим критерием для практического применения анкеров является их несущая способность.

В пятой главе приведено решение четвертой задачи.

В развитие работ ИГД СО РАН (Е.И. Шемякин, С.Б. Стажевский, А.Ф. Ревуженко и др.) разработана технология анкерного крепления с применением МЗ. За базовую конструкцию армирующего элемента анкер-инъекционного крепления принят простой в изготовлении вариант анкера с сыпучим минеральным заполнителем - АКМЗ [31]. Шахтные испытания конструкции проведены под руководством В.Е. Ануфриева.

Анкер содержит гладкий грузонесущий стержень 1 с конической головкой 2 на конце (у дна скважины), закрепляющую подпорную втулку из МЗ 3, подпирающую шайбу 4, гибкий верхняк 5, решетчатую затяжку 6, опорную шайбу 7, полусферическую шайбу 8 и гайку 9 на хвостовике грузонесущего стержня (рис. 9).

Область применения и условия работы АКМЗ определяются нагрузочной характеристикой, которая зависит от следующих параметров: степени

уплотнения и влажности частиц МЗ, величины кольцевого зазора между стенкой шпура и анкером, угла заклинивания и длины головки анкера /,,, длины подпорной втулки из МЗ Ьп.

Для оценки влияния указанных факторов на величину смещений в ИУУ СО РАН был изготовлен специальный стенд, который включает гидравлический пресс ИП-1000, насосную установку, датчик давления типа «Сапфир» и тензометрическую станцию СИ-2-1000-УХЛ 4.2 с цифровой индикацией, блок управления.

Конструкция АКМЗ закреплялась в искусственной скважине диаметром 30-10~3 м, образованной бетонной обоймой в стальной трубе наружным диаметром 0,17 м, диаметральные части которой во время испытаний были соединены хомутами. Для закрепления АКМЗ использован речной окатанный песок (ГОСТ 8736-93) с плотностью у = 1600 кг/м3 и гранулометрическим составом: 80 % частиц крупностью до 1,0-10"3 м и 20 % крупностью до 0,2-10"3 м. Заполнение скважины производили с помощью пескоструйной установки УЗА-СМ [30] (скважина диаметром ЗО Ю"3 м с анкером длиной 2 м заполняется песком за 7 с). При нагружении АКМЗ на стенде фиксировались величина нагрузки и линейное смещение хвостовика анкера. По средним значениям полученных данных построены нагрузочные характеристики для базового варианта (рис. 10-13). Варьирование податливости целесообразно проводить за счет изменения величины угла заклинивания у головки грузоне-сущего стержня в пределах от 10° до 90° - соответственно минимум и максимум смещений.

Аналогичные испытания проведены при закреплении АКМЗ в различных горных породах пласта «Максимовский» шахты «Комсомолец» ОАО «Ленинскуголь». Все анкеры нагружались штанговыдергивателем конструкции ВНИМИ и были порваны по резьбовой части хвостовика (0 20 10"3 м). Тем самым, установлена равнопрочность закрепления с грузонесущим стержнем даже в прослоях слабых пород крепостью/= 1-3 при следующих условиях: длина втулки из песка 0,7 м; кольцевой зазор между стенкой скважины и головкой анкера 1,5-10° м; соотношение диаметров головки и стержня анкера > 1,45; содержание глины в песке не более 4 %; гранулометрический состав песка (0,1—1,5)-10 3 м с влажностью до 6%.

Наибольшее влияние на несущую способность крепи оказывает длина втулки МЗ.

6

Рис. 9. Конструкция АКМЗ

Р.кН 80

60

40

20

Л III

р>

і 0 20 30 40 д Рис. 10. Нагрузочная характеристика АКМЗ в зависимости от ве-

личины кольцевого зазора между

головкой анкера и стенкой шпура (I -0,75мм; II- 1,5мм; III-2,25мм)

Р. ¡<11 80

60

40

20

/

¿,-=40мм //./-30мм

л

20м ч

/

10 20 30 40 ч/.. ш, Рис. 12. Нагрузочная характеристика АКМЗ в зависимости от длины головки анкера Ьг

'¿»=500мм у ¿»=300мм

10 20 30 40 аЬ,мм Рис. 11. Нагрузочная характеристика АКМЗ в зависимости от длины втулки минерального заполнителя Ь„

10 20 30 40 д Рис. 13. Нагрузочная характеристика АКМЗ в зависимости от угла закчинивания головки анкера

На основании проведенных расчетов и исследований выбраны минимально допустимые значения длины втулки МЗ — не менее 0,7 м в скважинах диаметром 30■ 10"3 м и 43-10"3 м.

В целях расширения области применения анкер-инъекционного крепления дополнительно разработаны варианты жестких и гибких конструкций анкеров: с эластичным наполнителем в МЗ для предотвращения его высыпания, инъекционных анкеров, канатных глубокого заложения [32, 34, 35, 37,

27

38, 40]. Разработанные конструкции позволяют сразу после монтажа довести максимальное нагружение анкерной крепи до прочности грузонесущего стержня анкера.

Для возможности промышленного применения технологии анкер-инъекционного крепления горных выработок необходимо дальнейшее развитие и обоснование параметров установки механизации процесса заполнения скважин СМ в шпурах различного расположения в пространстве с конкурентной скоростью.

В шестой главе приведено решение пятой задачи.

На основе исследований ИГД СО РАН, опыта создания и эксплуатации торкретпушек, камерных пневмозарядчиков скважин гранулированным взрывчатым веществом, пескоструйных аппаратов, в ИУУ СО РАН авторским коллективом под руководством В.Е. Ануфриева был разработан, изготовлен и испытан экспериментальный образец установки механизации процесса заполнения скважин различного расположения в пространстве сыпучим материалом - УЗА-СМ. Установка камерного типа, эжекторно-нагнетательного принципа действия обеспечивает при закреплении АКМЗ динамическую упаковку частиц МЗ с высокой плотностью турбулентным потоком воздушно-водяной смеси (рис. 14).

Установка состоит из камеры для СМ 1, емкости для жидкости 2, соединенных транспортными магистралями 3 и 4 с рукоятью управления 5 и сопловой трубкой 6. В рукояти управления жидкость попадает в поток смеси воздуха с СМ и, распыляясь в сопловой трубке, увлажняет его. На корпусе камеры 1 закреплен пневмопатрон 7, управляющий подачей СМ из камеры 1 в транспортную магистраль 3. Подача воздуха от компрессора 8 к камере 1 и емкости 2 осуществляется через пульт дистанционного управления 9 и соединенный с ним распределитель 10 через шланг 11. Подача воздуха в поршневую полость пневмопатрона 7 осуществляется также от пульта 9 через шланг 12. При монтаже АКМЗ 13 вместе с соплом 6 вводится в скважину 14, сохраняя расстояние до забойной части 0,5-0,6 м.

Рис. 14. Принципиальная схема установки УЗА-СМ

При осуществлении автоматической подачи СМ в скважину, важным является обеспечение вышеуказанных требований к материалу на выходе из сопла: параметров влажности и скорости вылета частиц, при ограничениях диаметра сопла для возможности его введения в скважину с анкером. Таким образом, одним из определяющих этапов для практической реализации технологии явилась разработка специализированной конструкции сопла с рукоятью управления подачей воды в поток СМ, совмещенная с дозатором-жиклером.

При разработке УЗА-СМ выполнены следующие технологические требования, предъявляемые к промышленному образцу: - скорость закрепления анкера в скважине менее 20 с; - закрепление не менее 30 анкеров без дозаправки; - закрепление анкера длиной до 3,5 м; - возможность подключения к общешахтной пневмосети давлением 0,5-0,6 МПа; - наличие пульта дистанционного управления; - сопло в виде тонкой трубки должно быть рассчитано на диаметр скважины 30 -103 м при диаметре стержня анкера 20-10 ' м.

На основе теории пневматического транспортирования сыпучих сред, методов расчета и обоснования конструкций пневмозарядчиков скважин сыпучим взрывчатым веществом, торкретпушек и пескоструйных аппаратов создана последовательность расчета параметров УЗА-СМ. Основная идея сводится к достижению необходимого качества и плотности упаковки частиц СМ в скважине, зависящих от скорости вылета частиц из сопла и показателя аэродинамического уплотнения минерального заполнителя ß. При этом выявлено минимально допустимое значение экспериментального показателя ß, которое для применяемого речного песка равно 25 кг-с/м (рис. 15).

Используя работы A.B. Бричкина (КазПИ) возможно определение плотности (кг/м°) создаваемой упаковки частиц МЗ при заполнении скважин. При этом обеспечение максимальной плотности МЗ важно как для качественного закрепления АКМЗ, так и для создания фильтрующей среды дренажных скважин.

0 2 4 6 К 10 12 14 /? Рис. 75. Зависимость показателя аэродинамического уплотнения [І от п — отношение площади кольцевого зазора между стенкой шпура и стержнем анкера к площади сопла установки

Работоспособность системы зависит от рациональных соотношений давления воздуха в емкостях и транспортных магистралях; соотношения пропускной способности эжектора, транспортных магистралей и сопловой

трубки (3/4:1:3/4 соответственно); концентрации песчано-воздушной смеси и скорости ее движения по магистралям; длины транспортных магистралей.

Основные расчетные и выбранные параметры УЗА-СМ :

— производительность по СМ, кг/с от 0,33

— рабочее давление, МПа 0,5-0,6

— объем емкости с СМ/ пластификатором (водой), л 25/4

— длина/диаметр транспортирующих магистралей, м 20/13-10"3

— диаметр сопла (для скважин сечением м (8/10)-10"

— диаметр эжектора, м 12 • 10"3 —рабочий ход поршня пневмопатрона, м 15 • 10"3

— скорость вылета частиц, м/с 5—30

—расстояние от сопла до забойной зоны скважины , м 0,5—0,6

— влажность выдаваемого СМ, % 4—10

— коэффициент заполнения скважин МЗ, м

/м 0,6-0,8

Таким образом, выбранные параметры УЗА-СМ, разработанные регламенты запуска и работы, непосредственно технология закрепления АКМЗ в скважинах различного расположения в пространстве позволяют перейти к разработке и испытанию основных элементов технологии анкер-инъекционного крепления горных выработок.

В седьмой главе приведено решение шестой задачи.

КемНЦ СО РАН совместно с кафедрой теоретической и геотехнической механики КузГТУ разработана ресурсосберегающая технология анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок. Новые способы [33, 34, 36, 39] основаны на цементационном упрочнении трещиноватой при-контурной зоны в сочетании с анкерами, закрепляемыми в скважине МЗ -песком. Скважины анкерного крепления используются как для нагнетания цементного раствора, так и для дренажных фильтрационных сбросов свободной жидкой фазы из системы трещин через втулку МЗ. При нагнетании цементного раствора в нагнетательные скважины в какой-то момент наступает прекращение их растворопоглощения. Выдержка нагнетательных скважин под давлением позволяет осуществить более плотную упаковку частиц, отжать часть жидкой фазы, которая при преодолении гидравлического сопротивления дренажных скважин сбрасывается в выработку. Последующее порядное нагружение анкеров приводит к механическому сжатию (поджатию) анкерами расслоившейся и нарушенной структуры горных пород. Анкеры в данных технологиях является также Временной 1фепью, ограничивая развитие системы трещин, происходящее также под действием давления нагнетания цементного раствора.

Предложено для реализации два принципиальных подхода: а) организация сброса свободного (излишнего) объема жидкой фазы раствора из системы инъецируемых трещин через дренажные скважины; б) цементация под вакуумом (эффект вакуумирования), при котором одновременно с процессом нагнетания проводится откачка воздуха и/или жидкой фазы из соседних скважин. Способы инъекционного нагнетания и фильтрационного дренажа показаны на рис. 16 и 17, где: Цр — цементный раствор, Ф — фильтрат.

30

а б в

Устойчивая часть массива Устойчивая часть массива Устойчивая часть массива

в сочетании с анкерами, закрепляемыми МЗ: а - нагнетание в скважины с анкерами, заполненными МЗ только на минимально необходимую для равнопрочного закрепления длину втулки, б — нагнетание через инъекционный анкер, в — нагнетание через комбинированный анкер

а б в

Рис. 17. Способы фильтрационного дренажа жидкой фазы цементационного раствора через скважины с МЗ: а - дренаж через МЗ скважины, б - дренаж со свободным сбросом жидкой фазы через перфорированную трубку, в - дренаж через втулку МЗ

Данные технологические и технические решения позволяют повысить интенсивность отфильтровывания и, соответственно, прочностные и адгезионные характеристики получаемого цементного камня во всем объеме упрочняемых горных пород.

Развивая известные исследования Ю З. Заславского работу анкер-инъекционного крепления можно разбить на 4 этапа (рис. 18).

Геомеханические параметры конструкции временной крепи, поддерживающей выработку до проведения упрочнения, определяются точкой С пересечения графика ее силовой характеристики с графиком Р = /¡(ІІц) - зависимости отпора на контуре вырабо тки от его смещения на период времени

Рис. 18. Качественная характеристика «напряжения — деформация» взаимодействия элементов анкер-инъекционного крепления: и о — смещения контура до возведения конструкции временной крепи; ик — смещения

контура до выполнения упрочнения; и^ — полные смещения контура крепи; смещения контура за период твердения цементного камня; С/"¡^ - смещения контура после окончания твердения цементного камня; Рк - отпор, создаваемый временной (анкерной) крепью; Рк'~ величина предварительного натяжения анкерной крепи; Рку — полный отпор, создаваемый крепью

После достижения необходимых расчетных смещений (и0+ик) контура производят нагнетание цементного раствора в нарушенный приконтурный массив. Оболочка из упрочненных пород должна рассчитываться на параметры, определяемые координатами точек С и Е. Точка Е образуется пересечением графика силовой характеристики упрочненной оболочки и графиком Ру = / (и„) зависимости смещений точек массива на границе зоны упрочнения от радиального отпора на конечный период существования выработки. Зону СПЕР можно обозначить как область эффективной консолидации нарушенного массива.

В результате нагнетания скрепляющих растворов в трещиноватые породы зоны неупругих деформаций образуется породная оболочка - крепь с большой несущей способностью, которая существенным образом влияет на параметры взаимодействия системы. При использовании инъекционного упрочнения в качестве основного средства обеспечения устойчивости вновь проводимых выработок в условиях развития вокруг них зоны неупругих деформаций, основными геомеханическими параметрами системы крепления являются: несущая способность дв и податливость [/„ временной крепи, которые обеспечивают поддержание выработки до образования оболочки кз упрочненных пород; время I отставании инъекционных работ от проходческих; глубина упрочнения Ь; требуемая прочность породного массива после упрочнения Яу = <Уу, которая определяет требования к прочностным, адгезионным и когезионным характеристикам инъекционных растворов.

Принципиальная схема расположения оборудования технологии анкер-инъекционного крепления капитальных выработок представлена на рис. 19.

, и

Цементный раствор

■ГГІїЛ

V Ні-

■ / Дренаж

Ж

э:

■ и}1 Дренаж

УЗА-СМ I

В Песок

. Воздух

Рис. 19. Принципиальная схема расположения оборудования

Расчет и выбор основных параметров анкер-инъекционного крепления произведен на основании методик «КузНИИшахтострой», МакИСИ, действующих Инструкций, с учетом полученных результатов.

При этом уменьшение объемов цементации породы происходит за счет наличия активных анкеров с фильтрационными сбросами жидкой фазы раствора. За счет применения цементационного упрочнения уменьшается длина анкеров. Уменьшение трудоемкости и стоимости происходит за счет уменьшения физических объемов работ.

Область применения

- Раскрытие трещин

- Схема нагнетания

— Начальная концентрация раствора (массовое Ц:В)

— Давление нагнетания цементного раствора

— Расход на устье скважины

— Изолирующее покрытие на поверхность выработки

— Установка анкеров АКМЗ

- крепление с последующим упрочнением горных пород при проведении капитальных горных выработок угольных шахт на глубине до 1500 м, на участках геологических нарушений и в зонах их влияния, в неустойчивых и весьма неустойчивых горных породах при смещении контура более 0,2 м; - перекрепление горных выработок в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях.

-от 0,1 ТО"3 м.

- кольцевая с рециркуляцией, и переходом от режима «с постоянным расходом» на режим «с постоянным давлением», при плавном регулировании параметров.

- от 0,5 до 2,корректируется по экспериментальной зависимости ()т{а).

- до 0,5 МПа.

- корректируется по экспериментальной зависимости ()т(а).

- набрызг-цемент или набрызг-полимерное покрытие «Текфлекс» (Германия).

- расположение - веерное, закрепление песком при помощи УЗА-СМ.

—Длина закрепляемой части анкера АКМЗ

-Длина цементационных скважин

- Расстояние между дренажными и цементац. скважинами

- Цементационные работы

- Набрызг-изолирующие работы

- Контроль качества упрочнения

- не менее 0,7 м.

- соответствует общей д.'пп'р анкеров по паспорту крепления.

- соответствует сетке расположения анкеров по паспорту крепления, но не далее К^,.

- пневмобетономашина типа ПБМ-2Э, насос НБЗ-120/40.

- набрызг-машина типа С-630А, или торкрет установка Алива-252, или пневматический насос Текфлекс.

- бурение контрольных скважин.

Таким образом, разработанная технология, способы и конструктивные элементы анкер-инъекционного крепления, приведенные научные обоснования исследуемых процессов, позволяют перейти к организации и проведению серии натурных экспериментов для подтверждения возможности ресурсосбережения и повышения безопасности ведения горных работ при подземной угледобыче.

В восьмой главе рассмотрены вопросы технико-экономической эффективности и внедрения основных элементов технологии анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок.

Опытно-промышленные испытания основных элементов технологии анкер-инъекционного крепления трещиноватых горных пород проведены на 4 участках капитальных выработок шахт «Краснокаменская» ПО «Прокопь-евскуголь» и «Комсомолец» ОАО «Ленинскуголь» в Кузбассе (см. таблицу, где в числителе показатели по базовому варианту, в знаменателе — фактические).

Вследствие повышения плотности заполнения трещин цементным материалом и увеличения прочности цементируемой приконтурной зоны массива (за счет повышения концентрации раствора при фильтрационных сбросах жидкой фазы) толщина зоны упрочнения уменьшена в 1,5 раза.

В процессе испытаний АКМЗ установлено, что на образование песчаной втулки длиной 0,7—1 м вокруг анкера сечением 20Т0"3 м в скважине сечением 43ТО"3 м расходовалось 3-4 кг песка, а в скважине 30Т0"3 м около 1,5-2 кг, с учетом расхода песка на просыпание и продувку транспортных магистралей. Процессами установки и закрепления АКМЗ, управления работой УЗА-СМ осуществляет один оператор. Контроль процесса заполнения скважины МЗ производят по звуку и реактивной тяге рукояти управления с сопловой трубкой.

Основные операции монтажа АКМЗ включают: - ведение анкера с соплом в скважину (3-6 с); — включение и продувка УЗА-СМ (2-3 с); - включение и подача песка (6-8 с); — отключение и гашение струи в скважине (3-4 с); - установка подпорной шайбы (4-8 с); - переход к другой скважине (2-6 с); всего 20-35 с.

Таблица

Технико-экономические показатели внедрения основных элементов технологии анкер-инъекционного крепления

Показатели Посадочная станция ОД гор. +182 м Сопряжение ЦВС с гор. +100 м Грузовая ветвь скипо-клетьевого ствола гор. +182 м Обходной квершлаг полевого конвейерного уклона пласта «Максимовский»

Характеристика породы алевролит трещиноватый аргиллит перемятый алевролит нарушенный переслаивание алевролита, аргиллита и песчаника прочностью на сжатие 15-70 МПа; развитая естественная и технологическая трещиноватость (проходка БВР)

Тип исходной крепи бетон металлобетон бетон спецпрофиль с ж/б затяжкой и забутовкой закрепного пространства

Глубина заложения выработки, м 120 205 120 240

Сечение выработки; Зсв^пр). м 16,4(20,5) 29,2 (35,6) 8,4(11,3) 16 (20)

Длина экспериментального участка, м 30 15 20 26

Тип замещающей крепи цементация цементация цементация анкеры АКМЗ длиной 2,4 м, по 13 анкеров в рядах через 0,8 м (всего 450 анкеров) сетчатая затяжка, подхваты

Толщина зоны упрочнения, м 4,2/3 5,5/4 3,5/2,5 -

Объем бурения, м 189/135 197/140 147/105 -

Расход цемента, т 112/82 84/60 115/83 -

Объем закачанного раствора, м3 123/88 111/79 29/20 -

Стоимость, млн. руб. 5,39/4,29 3,23/2,35 6,71/6,38 -

Экономический эффект, млн.руб. (в ценах 2007 г.) 1,1 0,88 0,33 0,25 с расширением области применения

За период эксплуатации выработок по данным замерных станций смещения и нагрузки не превысили допустимых. Проведенные испытания основных элементов анкер-инъекционного крепления подтвердили эффективность технологии и расширение области применения цементации и анкерного крепления на указанные условия.

Перспективность и расширение области применения консолидирующего нарушенный массив комбинированного анкер-инъекционного крепления очевидна вследствие его высокой несущей способности при низкой материалоемкости, что особенно важно при проведении и поддержании капитальных выработок и выработок с длительным сроком службы в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические и технологические решения по креплению капитальных выработок, консолидирующему трещиноватые породы цементацией с дренированием жидкой фазы раствора через скважины с предварительно установленными анкерами и сыпучим минеральным заполнителем, обеспечивая устойчивость контура и снижение материалоемкости при строительстве и эксплуатации шахт, что вносит значительный вклад в развитие угольной отрасли страны.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации:

1. В настоящее время происходит интенсификация подземной угледобычи, увеличение глубины ведения горных работ с усложнением горногеологических и горнотехнических условий. Трудоемкость крепления выработок в проходческом цикле занимает 30-60%. Возрастающие объемы проходки в подобных условиях требуют особого подхода к креплению и поддержанию, обеспечивающих устойчивость и снижение материалоемкости при строительстве и эксплуатации угольных шахт. При этом применение перспективной технологии анкер-инъекционного крепления капитальных выработок с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя сдерживается ввиду отсутствия обоснованных решений, учитывающих от-фильтровывание жидкой фазы раствора в процессе консолидации нарушенного массива.

2. Установлено влияние локального отфильтровывания жидкой фазы на процесс заполнения трещин цементным раствором при постоянном инъекционном давлении. Процесс проявляется в виде неравномерной упаковки и скорости движения частиц по длине трещины, что описывается нелинейной зависимостью массового расхода по цементу (()т, кг/с) от линейной плотности потока частиц цемента (х, кг/м), влияя на качество цементации трещин. Указанную зависимость описывает полином (¿т = -0,00018- х3 + 0,027- / 2 + + 0,72- х- При этом показано, что отфильтровывание жидкой фазы раствора через сыпучий материал в любом случае переходит к варианту с образованием фильтрующей мембраны из цемента-песка со скоростью фильтрации менее 1 м/сутки. Минимум скорости фильтрации ограничен пропускной способностью упаковки частиц цемента в трещине. Остаточное массовое це-ментно-водное отношение раствора при дренировании жидкой фазы состав-

ляет не более 4,12. Наиболее эффективен режим нагнетания раствора с низким давлением не более 0,5 МПа без резких колебаний.

3. Установлена взаимосвязь массового цементно-водного отношения а от расхода раствора по цементу (Qm, кг/с) в процессе цементации трещин при отфильтровывании жидкой фазы раствора через дренажные скважины в виде параболической зависимости Qm = K^oi2 + К2-а + К3 с наличием максимума. Для ПЦ М400 коэффициенты К! = -114,20; К2 = 273,66; К3 = 0. Причем, при значениях коэффициента формы частиц цемента от 0,4 до 0,65 рациональный диапазон а составляет от 0,5 до 2, влияя тем самым на скорость потока, проникающую способность и радиус цементации.

4. Выявлено, что при механическом нагружении анкера втулка из сыпучего минерального заполнителя зонально структурируется в процессе стесненного сдвигово-ротационного относительного смещения частиц, ини-цииругощего образование по поверхностям сдвига слоев распора с их эстафетной перекомпоновкой. При этом диссипация основной части осевых нагрузок силами трения и сцепления происходит в I и II зонах пластических деформаций на уровне и под головкой анкера на расстоянии до 5 диаметров скважины. Дальнейшее полное вырождение структурных смещений — сдвиговых деформаций с затуханием дилатансиогшых процессов, происходит в III зоне на расстоянии по длине втулки от 5 до 20 диаметров скважины. Уменьшение толщины слоев распора и рост их количества по длине скважины напрямую связан с уменьшением податливости АКМЗ и в основном зависит от геометрической формы головки анкера, плотности упаковки частиц МЗ и величины действующих нагрузок.

5. Разработана конструкция анкера АКМЗ, которая за счет сил трения, сцепления и дилатансии закрепляется в скважине сыпучим минеральным заполнителем при использовании песка фракцией (0,1—1,0)-10"3 м с содержанием глины до 4 % и влажностью 6%, величине кольцевого зазора между стенкой шпура и головкой анкера (1,0-1,5)-10"3 м, длине головки 45-Ю"3 м и ее угле заклинивания от 10° до 90° - соответственно, min и тах осевых смещений. При этом доказано, что при закреплении анкеров с указанными параметрами в приконтурном массиве горных пород минимально допустимая длина втулки из песка составляет 0,7 м.

6. Определены основные технологические параметры установки УЗА-СМ, обеспечивающие качественное закрепление анкеров АКМЗ в скважинах различного расположения в пространстве с высокой скоростью. Установка камерного типа, эжекторно-нагнетательного принципа действия обеспечивает динамическую упаковку частиц МЗ с высокой плотностью турбулентным потоком воздушно-водяной смеси. При этом производительность составляет от 0,33 кг/с, коэффициент заполнения скважин сыпучим минеральным заполнителем более 0,6, зависящий от показателя аэродинамического уплотнения от 25 кг-с/м4 и скорости вылета частиц от 5 до 30 м/с из сопла установки при его расстоянии до забойной зоны скважины 0,5-0,6 м. Высокая плотность упаковки частиц сыпучего минерального заполнителя в скважинах формирует фильтрующую среду для цементных растворов.

7. Разработана технология анкер-инъекционного крепления, включающая в себя комплекс решений по созданию сетки дополнительных дренажных скважин с установкой в них анкеров с сыпучим минеральным заполнителем, радиальному к оси дренажных скважин отфильтрс^ыванию жидкой фазы с ее свободным сбросом, отфильтровыванию жидкой фазы при нагнетании раствора через инъекционные анкеры или скважины с анкерами, заполненными сыпучим минеральным заполнителем только на минимально необходимую для равнопрочного закрепления длину втулки. При этом технология рассмотрена как единый процесс консолидации нарушенных пород, обеспечивая устойчивость и снижение материалоемкости при строительстве и эксплуатации капитальных горных выработок.

8. Эффективность технологии анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок с использованием цементных растворов и сыпучего минерального заполнителя подтверждена положительными результатами натурных испытаний при внедрении основных элементов на 4 участках угольных шахт Кузбасса общей протяженностью 91 м. При этом способы цементационного упрочнения нарушенных пород с дренажем жидкой фазы раствора позволяют уменьшить толщину зоны упрочнения в 1,5 раза вследствие повышения плотности заполнения трещин цементным материалом и увеличения прочности приконтурного массива.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Монографии

1. Майоров, А.Е. Консолидирующее крепление горных выработок / А.Е. Майоров, В.А. Хямяляйнен; науч. ред. В.А. Хямяляйнен; Сиб. отд-ние РАН, КемНЦ. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009.-260 с.

Научные периодические издания из перечня ВАК

2. Ануфриев, В.Е. Технология закрепления анкеров минеральным заполнителем / В.Е. Ануфриев, В.В. Барковский, Ю.Д. Гараев, А.Е. Майоров // Горный журнал. - 1999. - №2. - С. 41 - 43.

3. Майоров, А.Е. Упрочнение и напряженное армирование приконтурного массива горных пород при проходке горных выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень (Неделя горняка 2007). — 2009. -№3.-С. 326-331.

4. Майоров, А.Е. Исследование процессов деформирования и фильтрационных свойств твердых частиц суспензии и сыпучего материала при упрочнении горных пород цементацией и предварительно напряженными анкерами // ФТПРПИ. - 2010. - №2. - С. 82-90.

5. Хямяляйнен, В.А. Концепция консолидирующего крепления горных выработок / В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров // Горный информационно-аналитический бюллетень (Неделя горняка 2010). - 2010. - № 8 - С. 170-174.

6. Хямяляйнен, В.А. Новые способы цементационного упрочнения горных пород / В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров // Горный информационно-аналитический бюллетень (Неделя горняка 2009). - 2010. - № 9. - С. 212-217.

7. Хямяляйнен, В.А. Особенности течения цементационных растворов при упрочнении трещиноватых горных пород / В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров // Горный информационно-аналитический бюллетень (Неделя горняка 2010).-2010.-№ 10.-С. 199-205.

8. Майоров, А.Е. Фильтрационное течение и приливы плотности дисперсной фазы при заполнении трещин горных пород цементным раствором /

A.Е. Майоров, В.А. Хямяляйнен // Изв. вузов. Горный журнал. - 2010. - № 4. -С. 105-110.

9. Майоров. А.Е. Исследование процесса закрепления анкеров сыпучим материалом // Вестн. Кузбас. гос. техн. ун-та. - 2010. - № 4. - С. 11-15.

10. Майоров. А.Е. Геомеханические аспекты консолидирующего крепления горных выработок // Вестн. Кузбас. гос. техн. ун-та. - 2011. - № 3. - С. 41-44.

Прочие научные периодические издания, материалы конференций

11. Беззамковые анкеры, закрепляемые минеральным заполнителем /

B.Е. Ануфриев, A.B. Ремезов, Ю.Д. Гараев, А.Е. Майоров // Совершенствование технологических процессов при разработке полезных ископаемых: сб. науч. тр. / Научно-технический центр Кузбассуглетехнология. - 1997. - № 12.-С. 79-84.

12. Работа анкерной крепи, закрепляемой сыпучим минеральным заполнителем /А.Е. Майоров// Совершенствование техники и технологии шахтного строительства: сб. науч. тр. /Кузбас. гос. техн. ун-т, Кузниишахто-строй. — 1998. — С. 46-58.

13. Ануфриев, В.Е. Способы закрепления анкеров минеральным заполнителем / В.Е. Ануфриев, В.В. Барковский, С.Б. Стажевский, Ю.М. Кашин, A.B. Ремезов, А.Е. Майоров // Наукоемкие технологии угледобычи и утлепереработки: тр. Междунар. науч.-практ.конф., Кемерово, 6-9 октября

1998 г./ Ин-т угля и углехимии СО РАН, Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 1998.-С. 138-140.

14. Ануфриев, В.Е. Испытания пневматической установки закрепления атпсеров минеральным заполнителем /В.Е. Ануфриев, В.В. Барковский, Ю.Д. Гараев, А.Е. Майоров, A.A. Родичкин // Совершенствование техники и технологии шахтного строительства:сб. науч. тр. / Кузбас. гос. техн. ун-т, Куз-ниишахтострой. — 1998. — С. 59-70.

15. Ануфриев, В.Е. Двухуровневая схема анкерного крепления контура горных выработок / В.Е. Ануфриев, В.В. Барковский, А.Е. Майоров. А.Я. Павловец, В.В. Распопов // Совершенствование техники и технологии шахтного строительства: сб. науч. тр. / Кузбас. гос. техн. ун-т, Кузниишахтострой. - 1998,-С. 96-102.

16. Ануфриев, В.Е. Анкерное крепление контура горных выработок в сложных условиях Кузбасса /В.Е. Ануфриев, А.Е. Майоров, В.В. Барковский, A.B. Ремезов, В.В. Распопов // Перспективы развития горнодобывающей промышленности: тр. Междунар. науч.-практ. конф., Кемерово, 26-27 мая

1999 г. / Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 1999. - С. 153-156.

17. Ануфриев, В.Е. Новые технологии закрепления анкеров минеральными заполнителями / В.Е. Ануфриев, А.Е. Майоров // Перспективы развития

горнодобывающей промышленности: тр. Междунар. науч.-практ. конф., Кемерово, 26-27 мая 1999 г. / Кузбас. гос. техн. ун-т. — Кемерово, 1999. — С. 157-160.

18. Майоров. А.Е. Комбинированное крепление горъых выработок // Проблемы и перспективы развития горных наук: тр. Междунар. конф., по-свящ. 60-летию образования Горно-геологического ин-та СО АН СССР - Института горного дела СО РАН, Новосибирск, 1 -5 ноября 2004 г. / Ин-т горного дела СО РАН. - Новосибирск, 2006. — Т.П. Машиноведение. Геотехнологии. - С. 394-398.

19. Майоров. А.Е. Крепление горных выработок в сложных условиях // ТЭК и ресурсы Кузбасса. - 2006,- №6.С. 62-65.

20. Майоров. А.Е. Консолидация приконтурного массива пород при креплении горных выработок И Вести. Кузбас. гос. техн. ун-та. — 2007. — № 1. -С. 6-11.

21. Хямяляйнен, В.А. Системы комбинированного облегченного крепления горных выработок / В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров // Проблемы подземного и надземного строительства (Advanced in geotechnical and structural engineering): сб. тр. Китайско-Российской междунар. конф., Циньдао (Китай), 26-28 сентября 2008 г. / Шаньдуньский технический университет. — Циньдао, 2008. - С. 33-37.

22. Хямяляйнен, В.А. Системы крепления нарушенного массива горных пород / В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: сб. науч. статей Междунар. науч.-практ. конф., Новокузнецк, 4—5 июня 2008г. / Сиб. гос. индустр. ун-т; под общ. ред. проф. В.Н. Фрянова. - Новокузнецк, 2008. - С. 46-50.

23. Майоров. А.Е. Концепция и обоснование систем крепления горных выработок, использующих несущую способность структурированного массива // Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды: тр. конф. (с участием иностранных ученых), Новосибирск, 7-11 июля 2008 г. / Ин-т горного дела СО РАН. - Новосибирск, 2009. В II т. T.I. Геотехнологии. - С. 199-206.

24. Майоров. А.Е. Новые способы инъекционной цементации горных пород // Управление механическими процессами дезинтеграции, инъекционного уплотнения и переработки горных пород: материалы науч.-практ. конф. (круглого стола), Кемерово, ГУ КузГТУ, 29 апреля 2009 г. / под общ. ред. В.А. Хямяляйнена. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2009. - С. 139-146.

25. Хямяляйнен, В.А. К оценке возможности повышения эффективности анкер-инъекционного крепления при проходке участков вентиляционного наклонного ствола №2 ЗАО «Распадская-Коксовая» / В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров. Ф.В. Кителев // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах: тр. VIII Междунар. науч.-практ. конф., Кемерово, 12 ноября 2009 г. / Кузбас. гос. техн. ун-т. — Кемерово, 2009. — Т.1. -С. 191-194.

26. Хямяляйнен, В.А. Экспериментальные исследования фильтрации нестабильных цементных растворов в трещинах / В.А. Хямяляйнен, Ю.В. Масникова, А.Е. Майоров // Безопасность жизнедеятельности предприятий в

промышленно развитых регионах: тр. VIII Междунар. науч.-практ. конф., Кемерово, 12 ноября 2009 г. / Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 2009. - Т.2. - С. 71-75.

27. Майоров, А.Е. Консолидирующее крепление горных выработок / А.Е. Майоров, В.А. Хямяляйнен // Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений: материалы VI Российско-китайского симпозиума, Кемерово, 28 сентября 2010 г. / Кузбас. гос. техн. ун-т.; отв. ред. С.Д. Евменов.- Кемерово, 2010. - С. 108-117.

28. Майоров, А.Е. Комбинированное консолидирующее крепление горных выработок / А.Е. Майоров, В.А. Хямяляйнен // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс - 2010: материалы XIII Междунар. науч.-практ. конф., Кемерово, 28-29 октября 2010 г. / Кузбас. гос. техн. ун-т.; отв. ред. Ю.В. Блюменштейн. - Кемерово, 2010. - Т. I. - С. 305-307.

29. Майоров. А.Е. Системы комбинированного крепления горных выработок / А.Е. Майоров, В.А. Хямяляйнен // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: тр. XII Междунар. науч.-практ. конф., Кемерово, 14-17 сентября 2010 г. / Сибирское отделение РАН, Кемеровский науч. центр СО РАН, Ин-т угля СО РАН, Кузбас. гос. техн. ун-т., ООО КВК «Экспо-Сибирь». - Кемерово, 2010. - С. 51— 52.

Патенты па изобретения

30. Пат. 2166634 РФ, МПКЕ 21 D 20/00. Установка закрепления анкера сыпучими материалами / В.Е. Ануфриев, В.В. Барковский, А.Е. Майоров, A.A. Родичкин; заявл. 04.11.1997; опубл. 10.05.2001, Бюл. № 13.-11 е.: ил.

31. Пат. 2166635 РФ, МПКЕ 21 D 21/00. Анкер с минеральным заполнителем / В.Е. Ануфриев, З.М. Гараев, А.Е. Майоров; заявл. 04.11.1997; опубл. 10.05.2001, Бюл. № 13. -4 с.: ил.

32. Пат. 2166636 РФ, МПК Е 21 D 21/00. Гибкий анкер / В.Е. Ануфриев, A.B. Ремезов, А.Е. Майоров: заявл. 04.11.1997; опубл. 10.05.2001, Бюл. № 13. — 7 е.: ил.

33. Пат. 2283959 РФ, МПК Е 21 D 20/00, Е 21 D 11/00. Способ крепления горных выработок / В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров; заявл. 20.09.2004; опубл. 20.09.2006, Бюл. № 26. - 8 е.: ил.

34. Пат. 2320875 РФ, МПК Е 21 D 21/00. Способ крепления горных выработок и устройство для его осуществления / В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров; заявл. 06.09.2006; опубл. 27.03.2008, Бюл. №9.-9 е.: ил.

35. Пат. 2321749 РФ, МПК Е 21 D 21/00. Анкер / В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров; заявл. 09.10.2006; опубл. 04.10.2008, Бюл. № 10. - 6 е.: ил.

36. Пат. 2337241 РФ, МПК Е 21 D 11/00. Способ цементации трещиноватых горных пород / В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров: заявл. 07.03.2007; опубл. 27.10.2008, Бюл. № 30. - 6 е.: ил.

37. Пат. 2374450 РФ, МПК Е 21 D 21/00. Анкер / В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров; заявл. 27.10.2008; опубл. 27.11.2009, Бюл. № 33. - 8 е.: ил.

38. Пат. 2383739 РФ, МПК Е 21 D 21/00. Канатный анкер / В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров, A.B. Майорова; заявл. 27.10.2008; опубл. 10.03.2010, Бюл. № 7. - 10 е.: ил.

39. Пат. 2387838 РФ, МПК Е 21 Б 1/16, Е 21 Б 9/00, Е 02 Б 3/12. Способ упрочнения трещиноватых горных пород / В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров; заявл. 29.12.2008; опубл. 27.04.2010, Бюл. № 12. - 5 с.

40. Пат. 2415270 РФ, МПК Е2Ш21/00. Анкер / В.А. Хдматяйнен, А.Е. Майоров; заявл. 19.10.2009; опубл. 27.03.211, Бюл. №9.-7 е.: ил.

Подписано в печать 03.09.2012 Формат 60x84/16. Гарнитура Тайме. Печать лазерная. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 150 экз. Заказ 374

Отпечатано в типографии «Радуга» 650004, Россия, Кемерово, ул. Соборная, 6 тел.: (3842) 35-84-96

Содержание диссертации, доктора технических наук, Майоров, Александр Евгеньевич

Введение.

Глава

Общие положения.

1.1. Условия эксплуатации горных выработок на шахтах Кузбасса.

1.2. Необходимость применения специальных способов проведения и крепления горных выработок в сложных условиях.

1.3. Анализ конструкций анкеров, закрепляемых в скважине сыпучими материалами.

1.4. Анализ технологий комбинированного крепления на основе инъекционной цементации и анкеров.

1.5. Реология, седиментация и седиментационная устойчивость цементных растворов.

1.6. Физико-механические свойства зацементированной приконтурной зоны нарушенного массива.

Выводы, цель и задачи исследований.

Глава

Установление влияния локального дренажа жидкой фазы на процесс заполнения трещин цементным раствором при постоянном инъекционном давлении.

2.1. Исследование процесса фильтрационного течения цементного раствора в пространстве щели при изменении его массовой концентрации.

2.2. Исследование процесса структурирования частиц цемента при цементации одиночной трещины с отфильтровыванием жидкой фазы в конце потока.

2.3. Исследование процессов водоотдачи и отфильтровывания жидкой фазы цементных растворов.

2.4. Исследование процесса цементации трещин с локальным дренированием жидкой фазы раствора.

Выводы.

Глава

Установление факторов, влияющих на основные технологические параметры процесса цементации трещин при отфильтровывании жидкой фазы раствора через дренажные скважины.

3.1. Исследование проникающей способности цементных растворов с учетом формы твердых частиц.

3.2. Исследование течения суспензий в трещине с учетом седиментации частиц.

3.3. Распространение потока цементного раствора и приливов плотности между инъекционной и дренажной скважинами

3.4. Исследование влияния концентрации цементного раствора на процесс массопереноса твердой фазы.

Выводы.

Глава

Выявление процессов формирования втулки из сыпучего минерального заполнителя при механическом нагружении анкера в скважине.

4.1. Исследование процесса структурообразования в сыпучем материале при нагружении анкерной крепи.

4.2. Разработка модели работы анкерной крепи.

4.3. Расчет и выбор допустимых параметров закрепляемой части анкерной крепи.

Выводы.

Глава

Разработка анкеров, закрепляемых сыпучим минеральным заполнителем (песком) и установление их рациональных конструктивных параметров.

5.1. Разработка и исследование базовой конструкции анкера, закрепляемого в скважине сыпучим материалом.

5.2. Разработка жестких конструкций анкеров, закрепляемых в скважине сыпучим материалом.

5.3. Разработка гибких конструкций анкеров, закрепляемых в скважине сыпучим материалом.

Выводы.

Глава

Установление рациональных конструктивных и технологических параметров установки механизации процесса заполнения скважин различного расположения в пространстве сыпучим материалом (УЗА-СМ).

6.1. Обоснование и формулировка требований, предъявляемых к УЗА-СМ.

6.2. Схема и принцип работы УЗА-СМ.

6.3. Работа установки и технология возведения анкерной крепи

6.4. Исследование процесса заполнения скважины сыпучим материалом при помощи УЗА-СМ.

6.5. Последовательность расчета и выбора параметров УЗА

СМ.'.

Выводы.

Глава

Разработка технологии анкер-иньекционного крепления капитальных выработок с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя.

7.1. Разработка концепции и обоснование технологии анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок.

7.2. Разработка новых технических решений и способов анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок

7.3. Технология анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок.

7.4. Расчет и выбор параметров технологии анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок 220 Выводы.

Глава

Технико-экономическая эффективность и внедрение основных элементов технологии анкер-инъекционного крепления капитальных выработок с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя.

8.1. Технико-экономическая эффективность технических решений, разработанных на основе результатов исследований.

8.2. Внедрение способов цементационного упрочнения нарушенных горных пород при отфильтровывании жидкой фазы раствора.

8.3. Внедрение анкерного крепления с применением сыпучих материалов.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование и разработка технологии анкер-инъекционного крепления капитальных выработок с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя."

Актуальность работы. В настоящее время происходит интенсификация подземной угледобычи, увеличение глубины ведения горных работ с усложнением горно-геологических и горнотехнических условий. На действующих шахтах России к благоприятным условиям подземной добычи угля отнесено менее 50% разведанных запасов. В Кузбассе, как ведущем угольном регионе и месте проведения исследований, до 60 % вмещающих пород непосредственной кровли относятся преимущественно к IV и V классам, т.е. ниже средней устойчивости и неустойчивые с прочностью на сжатие 10—45 МПа. Аварии и несчастные случаи при проведении и поддержании горных выработок в основном сопровождаются обрушением непосредственной кровли с остановкой работ.

При строительстве и эксплуатации угольных шахт в подобных условиях одной из главных проблем является обеспечение устойчивости выработок, которая в основном решается возведением крепи. Трудоемкость крепления выработок в проходческом цикле занимает 30-60%. Процесс крепления, особенно капитальных выработок, является одним из самых дорогостоящих. Возрастающие объемы проведения капитальных выработок в нарушенных породах требуют развития крепления с низкой материалоемкостью и трудоемкостью работ, позволяющего обеспечивать заданную устойчивость приконтурного массива.

Из эффективных средств повышения устойчивости нарушенных пород известно их инъекционное упрочнение и анкерование. При этом рационально применение доступных цементных растворов и минеральных заполнителей.

Несмотря на успехи и имеющийся положительный опыт цементации нарушенных горных пород достигаемая плотность и прочность массива не всегда обеспечивает требуемую несущую способность, ограничивая использование инъекционного упрочнения как способа крепления выработок.

Сложившееся положение обусловлено недостаточной изученностью 5 процессов формирования физико-механических и структурно-реологических характеристик цементного раствора, физических особенностей заполнения трещин в нарушенном массиве пород при отфильтровывании жидкой фазы.

В сложных условиях проходки применяют в основном более надежные беззамковые классы анкерной крепи. Работами ИГД СО РАН доказана перспектива использования для закрепления анкеров сыпучего минерального заполнителя (МЗ) - песка, за счет сил трения, сцепления и дилатансии. МЗ дёшев, термостоек, химически инертен. Анкеры, закрепляемые сыпучим минеральным заполнителем (АКМЗ) могут совместить функций временной крепи и конструктивных элементов комбинированной крепи, реализовать при работе распределенную нагрузку на контур скважины. Перспективна идея использования скважин с АКМЗ для нагнетания цементных растворов и дренажного сброса излишней для процесса гидратации жидкой фазы, исключающая дополнительные объемы бурения. При этом не проработаны аспекты формирования втулки из МЗ как несущей и фильтрующей среды, не обоснованы конструктивные и технологические параметры АКМЗ.

Известные способы комбинированного анкер-инъекционного крепления в основном рассматриваются как сочетание положительных признаков. Резерв развития заложен в получении нового качества -реализации процессов консолидации (совмещенное уплотнение, укрепление, сращивание), что позволит изменять физико-механические характеристики нарушенных пород и управлять состоянием приконтурного массива, используя его несущую способность.

Таким образом, для обеспечения устойчивости выработок и снижения материалоемкости при строительстве и эксплуатации угольных шахт актуально научное обоснование и разработка технологии анкер-инъекционного крепления с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя, рассматриваемой как единый процесс нагнетания, дренирования и анкерования при консолидации нарушенного массива пород.

Работа выполнена в рамках программы СО РАН «Научное и технологическое обеспечение социально-экономического развития Кемеровской области»; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г.г., КузГТУ; именного гранта Губернатора Кемеровской области для молодых ученых - кандидатов наук на проведение фундаментальных и прикладных исследований по приоритетным направлениям социально-экономического развития Кемеровской области, КемНЦ СО РАН, 2008 г.; государственного контракта №26-ОП-08, ИУУ СО РАН, 2008 г.; хоздоговорных тематик ИУУ СО РАН 1996-1998 г.г.

Цель работы. Обоснование и разработка технологии анкер-инъекционного крепления капитальных выработок с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя, обеспечивающего устойчивость контура и снижение материалоемкости при строительстве и эксплуатации угольных шахт.

Основная идея работы заключается в использовании закономерностей процесса цементации трещин с дренажем жидкой фазы раствора, совмещенного с работой анкеров, закрепляемых сыпучим заполнителем -песком, при обосновании и выборе конструктивных и технологических параметров анкер-инъекционногЪ крепления.

Задачи исследований:

- установить влияние дренажа жидкой фазы на процесс заполнения трещин цементным раствором;

- установить взаимосвязь основных технологических параметров процесса цементации трещин при отфильтровывании жидкой фазы раствора через дренажные скважины;

- выявить процессы формирования втулки из сыпучего минерального заполнителя при механическом нагружении анкера в скважине;

- разработать анкеры, закрепляемые сыпучим минеральным заполнителем и обосновать их конструктивные параметры;

- обосновать основные технологические параметры установки механизации процесса заполнения скважин сыпучим материалом - УЗА-СМ;

- разработать технологию анкер-инъекционного крепления капитальных выработок на основе цементации трещиноватых горных пород и анкеров с сыпучим минеральным заполнителем.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий научный анализ и обобщение теории и практики крепления горных выработок, эффективности разработанных способов и конструктивных элементов крепления, результатов их внедрения, метод анализа размерностей, статистическую обработку результатов экспериментов. В том числе, при решении задач использованы экспериментальные стендовые исследования фильтрации и отфильтровывания при плоском движении суспензии на различных моделях искусственной щели и методы электронной микроскопии - 1-2 задачи; оценка проникающей способности твердых частиц разной формы через щелевое пространство гравитационной решетки - 2 задача; нагружение сыпучих материалов в щелевом пространстве, графические и экспериментальные методы строительной механики и механики сыпучих сред - 3 задача; нагрузочные испытания анкерной крепи в искусственной скважине на разрывной машине - 4 задача; методы механики сплошных сред - 1-4 задачи; экспериментальные натурные исследования разработанных конструкций и технологий (нагрузочные испытания экспериментальных образцов крепи, хронометраж технологических циклов, регистрация сбоев, работы узлов и элементов конструкций на отказ), технико-экономический анализ эффективности разработанных элементов технологии анкер-инъекционного крепления - при решении 5 и 6 задач.

Объект исследования: технология комбинированного крепления, консолидирующего приконтурный массив трещиноватых пород при проведении и поддержании горных выработок угольных шахт.

Предмет исследования: технология анкер-инъекционного крепления 8 капитальных выработок с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя.

Научные положения, защищаемые автором:

- процесс заполнения трещин цементным раствором при постоянном инъекционном давлении и локальном отфильтровывании жидкой фазы происходит с неравномерной упаковкой и скоростью движения частиц, сопровождаясь скачком расхода, что описывается кубической зависимостью массового расхода по цементу от линейной плотности потока частиц цемента;

- массовые цементно-водное отношение а и расход раствора по цементу в процессе цементации трещин при отфильтровывании жидкой фазы через дренажные скважины связаны между собой параболической зависимостью с наличием максимума при значениях коэффициента формы частиц цемента от 0,4 до 0,65 и а от 0,5 до 2;

- втулка из сыпучего минерального заполнителя при механическом нагружении анкера зонально структурируется с образованием по поверхностям сдвига и эстафетной перекомпоновкой слоев распора, при этом зоны пластических деформаций на уровне и под головкой анкера распространяются на расстояние до 5 диаметров скважины, а полное вырождение структурных смещений происходит на расстоянии зоны от 5 до 20 диаметров скважины;

- разработанная конструкция анкера закрепляется в скважине сыпучим минеральным заполнителем за счет сил трения, сцепления и дилатансии при использовании песка фракцией (0,1-1,0)-10" м с содержанием глины до 4 % и влажностью 6%, величине кольцевого зазора между стенкой шпура и головкой анкера (1,0-1,5)-10"3 м, длине головки 45-10"3 м и ее угле заклинивания от 10° до 90°;

- основными параметрами УЗА-СМ, обеспечивающими качественное закрепление анкеров с высокой скоростью, являются производительность от

0,33 кг/с, коэффициент заполнения скважин сыпучим минеральным 9 заполнителем более 0,6, зависящий от показателя аэродинамического уплотнения от 25 кг-с/м4 и скорости вылета частиц от 5 до 30 м/с из сопла установки при его расстоянии до забойной зоны скважины 0,5-0,6 м;

- разработанная технология анкер-инъекционного крепления включает в себя комплекс решений по созданию сетки дополнительных дренажных скважин с установкой в них анкеров с сыпучим минеральным заполнителем, радиальному к оси дренажных скважин отфильтровыванию жидкой фазы с ее свободным сбросом, отфильтровыванию жидкой фазы при нагнетании раствора через инъекционные анкеры или скважины с анкерами, заполненными сыпучим минеральным заполнителем только на минимально необходимую для равнопрочного закрепления длину втулки.

Научная новизна работы заключается:

- в установлении влияния локального отфильтровывания жидкой фазы на процесс заполнения трещин цементным раствором при постоянном инъекционном давлении;

- в установлении зависимости массового цементно-водного отношения от расхода раствора по цементу в процессе цементации трещин при отфильтровывании жидкой фазы через дренажные скважины;

- в выявлении процессов зонального структурирования втулки из сыпучего минерального заполнителя при механическом нагружении конструкции анкера в скважине;

- в обосновании конструктивных параметров разработанных анкеров, закрепляемых сыпучим минеральным заполнителем (песком) применительно к исследуемой технологии анкер-инъекционного крепления;

- в обосновании основных технологических параметров установки УЗА-СМ, обеспечивающих качественное закрепление анкеров в скважинах различного расположения в пространстве с высокой скоростью и формирующих фильтрующую среду для цементных растворов;

- в разработке технологии анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок, включающей в себя комплекс научно

10 обоснованных решений по консолидации трещиноватых пород цементацией с дренированием жидкой фазы раствора через группы скважин с предварительно установленными анкерами и сыпучим минеральным заполнителем.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- применением апробированных классических методов строительной механики и механики сыпучих сред, методов механики сплошных сред, теории подобия и математической статистики, методов электронной микроскопии;

- удовлетворительной сходимостью (расхождение не более 10 %) результатов аналитических, экспериментальных лабораторных, натурных исследований конструктивных и технологических характеристик элементов анкер-инъекционного крепления трещиноватых горных пород;

- положительными результатами опытно-промышленной проверки технологий инъекционного упрочнения массива горных пород с дренированием жидкой фазы раствора и основных несущих конструктивных элементов анкер-инъекционного крепления - АКМЗ и технологии их возведения при помощи УЗА-СМ в процессе проходки 4 экспериментальных участков выработок угольных шахт Кузбасса общей протяженностью 91м.

Личный вклад автора заключается:

- в анализе и обобщении результатов известных теоретических и экспериментальных исследований в области крепления горных выработок и упрочнения горных пород, постановке и выполнении задач данного исследования, в разработке методик и проведении экспериментальных исследований (часть в соавторстве), в обосновании, разработке и формулировке всех положений диссертационной работы;

- в установлении влияния дренажа жидкой фазы на процесс заполнения трещин цементным раствором; •

- в установлении зависимости массового цементно-водного отношения

11 от расхода раствора по цементу в процессе цементации трещин при отфильтровывании жидкой фазы через дренажные скважины;

- в выявлении процессов зонального структурирования втулки из сыпучего минерального заполнителя при механическом нагружении конструкции анкера в скважине;

- в обосновании конструктивных параметров разработанных анкеров, закрепляемых сыпучим минеральным заполнителем (песком) применительно к исследуемой технологии анкер-инъекционного крепления;

- в обосновании основных технологических параметров установки УЗА-СМ, обеспечивающих качественное заполнение скважин сыпучим минеральным заполнителем для закрепления АКМЗ и формирования фильтрующей среды цементных растворов, в разработке конструкции рукояти управления;

- в разработке технологии анкер-инъекционного крепления капитальных выработок на основе цементации трещиноватых горных пород и анкеров с сыпучим минеральным заполнителем.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей процесса фильтрационного течения нестабильных цементных растворов, совмещенного с работой АКМЗ при упрочнении горных пород с одновременным отфильтровыванием жидкой фазы раствора через сыпучий материал дренажных скважин; в выявлении рациональных параметров процесса упрочнения нарушенных пород и обосновании на их основе технологии анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок, обеспечивающих консолидацию приконтурного массива.

Практическое значение работы. Применение разработанных конструкций и способов, созданных рекомендаций, методик исследований и расчетов основных параметров анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок позволяет в дальнейшем управлять состоянием массива горных пород, повысить качество цементации и устойчивость контура, снизить материалоемкость и стоимость крепления.

Реализация работы. Основные положения диссертационной работы вошли в РД (Методические указания по технологии консолидации нарушенных приконтурных пород горных выработок инъекционной цементацией и анкерами с сыпучим минеральным заполнителем / КемНЦ СО РАН, КузГТУ, ИУ СО РАН, ООО «ППЦ Кузниишахтострой». - Кемерово, 2011.-41 е.). Разработанные последовательности расчетов, рекомендации по условию применения и выбору рациональных параметров, результаты стендовых и шахтных испытаний, технические решения, использованы для разработки технической документации и паспортов крепления горных выработок. Основные элементы технологии анкер-инъекционного крепления прошли стендовые и предварительные натурные испытания на 4 экспериментальных участках горных выработок шахт «Комсомолец» ОАО «Ленинскуголь» и «Краснокаменская» ПО «Прокопьевскуголь» общей протяженностью 91 м. Результаты исследований в области фильтрации цементных растворов и разработанная научно-методическая база использованы в Шаньдунском научно-техническом университете (г. Циндао, Китай) при проведении исследований, разработке и проектировании новых технологий крепления выработок угольных шахт.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на международной научно-практической конференции

Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки» 1998 г. (ИУУ СО

РАН, КузГТУ, Кемерово); международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности»

1999 г. (КузГТУ, Кемерово); международной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук» 2006 г. (ИГД СО РАН, Новосибирск);

Китайско-Российской международной конференции «Проблемы подземного и надземного строительства» 2008 г. (Шаньдуньский научно-технический университет, г. Циндао, Китай); конференции «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (с участием иностранных ученых)

2008 г. (ИГД СО РАН, Новосибирск); международной научно-практической

13 конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» 2008 г. (СибГИУ, Новокузнецк); научно-практической конференции «Управление механическими процессами дезинтеграции, инъекционного ' уплотнения и переработки горных пород» 2009 г. (КузГТУ, Кемерово); VIII международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах» 2009 г. (КузГТУ, Кемерово); VI Российско - Китайском симпозиуме «Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений» 2010 г. (КузГТУ и Шаньдунский научно-технический университет, Кемерово); XIII международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири», СИБРЕСУРС-2010 (КузГТУ, Кемерово); ежегодных научных конференциях студентов, аспирантов и преподавателей КузГТУ 2004-2010 гг. (Кемерово), научных симпозиумах «Неделя горняка» - 2007, 2009, 2010 г.г. (МГГУ, Москва); международных научно-практических конференциях «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности», Экспо-Уголь 2010, 2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 научных работ, в том числе 9 публикаций в периодических изданиях из перечня ВАК РФ, 11 патентов на изобретения РФ и 1 монография.

Объём и структура диссертации. Состоит из введения, 8 глав и заключения, изложенных на 294 страницах, содержит 83 рисунка, 23 таблицы, список литературных источников из 212 наименований, 3 приложения.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Майоров, Александр Евгеньевич

Выводы

1. Разработана технология анкер-инъекционного крепления, включающая в себя следующие отличительные признаки комплекса решений по: созданию сетки дополнительных дренажных скважин с установкой в них анкеров с сыпучим минеральным заполнителем, радиальному к оси дренажных скважин отфильтровыванию жидкой фазы с ее свободным сбросом, отфильтровыванию жидкой фазы при нагнетании раствора через инъекционные анкеры или скважины с анкерами, заполненными сыпучим минеральным заполнителем только на минимально необходимую для равнопрочного закрепления длину втулки.

2. Технология рассмотрена как единый процесс консолидации нарушенных пород, обеспечивая устойчивость и снижение материалоемкости при строительстве и эксплуатации капитальных горных выработок.

3. За период эксплуатации выработок смещения и нагрузки по данным замерных станций не превысили допустимых. Проведенные испытания основных элементов анкер-инъекционного крепления подтвердили эффективность технологии и расширение области применения цементации и анкерного крепления на указанные условия. Перспективность и расширение области применения консолидирующих нарушенный массив систем крепления очевидны вследствие их высокой надежности и низкой материалоемкости, что особенно важно при проведении капитальных выработок и выработок с длительным сроком службы, проведении и поддержании горных выработок в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях.

4. Эффективность технологии анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок с использованием цементных растворов и сыпучего минерального заполнителя подтверждена положительными результатами натурных испытаний при внедрении основных элементов на 4 участках угольных шахт Кузбасса общей протяженностью 91 м. При этом способы цементационного упрочнения нарушенных пород с дренажем жидкой фазы раствора позволяют уменьшить толщину зоны упрочнения в 1,5 раза вследствие повышения плотности заполнения трещин цементным материалом и увеличения прочности приконтурного массива. Общий экономический эффект от внедрения разработок на 4 участках угольных шахт Кузбасса составляет около 2,56 млн. рублей в ценах 2007 г., а косвенный эффект - в расширении области применения комбинированного крепления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические и технологические решения по креплению капитальных выработок, консолидирующему трещиноватые породы цементацией с дренированием жидкой фазы раствора через скважины с предварительно установленными анкерами и сыпучим минеральным заполнителем, обеспечивая устойчивость контура и снижение материалоемкости при строительстве и эксплуатации шахт, что вносит значительный вклад в развитие угольной отрасли страны.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации:

1. В настоящее время происходит интенсификация подземной угледобычи, увеличение глубины ведения горных работ с усложнением горно-геологических и горнотехнических условий. Трудоемкость крепления выработок в проходческом цикле занимает 30-60%. Возрастающие объемы проходки в подобных условиях требуют особого подхода к креплению и поддержанию, обеспечивающих устойчивость и снижение материалоемкости при строительстве и эксплуатации угольных шахт. При этом применение перспективной технологии анкер-инъекционного крепления капитальных выработок с использованием цементных растворов и сыпучего заполнителя сдерживается ввиду отсутствия обоснованных решений, учитывающих отфильтровывание жидкой фазы раствора в процессе консолидации нарушенного массива.

2. Установлено влияние локального отфильтровывания жидкой фазы на процесс заполнения трещин цементным раствором при постоянном инъекционном давлении. Процесс проявляется в виде неравномерной упаковки и скорости движения частиц по длине трещины, что описывается нелинейной зависимостью массового расхода по цементу (0т> кг/с) от линейной плотности потока частиц цемента (х, кг/м), влияя на качество цементации трещин. Указанную зависимость описывает полином £2т = -0,00018-х3 + 0,027-/ + 0,72-/. При этом показано, что отфильтровывание жидкой фазы раствора через сыпучий материал в любом случае переходит к варианту с образованием фильтрующей мембраны из цемента-песка со скоростью фильтрации менее 1 м/сутки. Минимум скорости фильтрации ограничен пропускной способностью упаковки частиц цемента в трещине. Остаточное массовое цементно-водное отношение раствора при дренировании жидкой фазы составляет не более 4,12. Наиболее эффективен режим нагнетания раствора с низким давлением не более 0,5 МПа без резких колебаний.

3. Установлена взаимосвязь массового цементно-водного отношения а от расхода раствора по цементу (Qm, кг/с) в процессе цементации трещин при отфильтровывании жидкой фазы раствора через дренажные скважины в виде параболической зависимости Qm = К^аг2 + Кг-а + К3 с наличием максимума. Для ПЦ М400 коэффициенты Кх = -114,20; К2 = 273,66; К3 = 0. Причем, при значениях коэффициента формы частиц цемента от 0,4 до 0,65 рациональный диапазон а составляет от 0,5 до 2, влияя тем самым на скорость потока, проникающую способность и радиус цементации.

4. Выявлено, что при механическом нагружении анкера втулка из сыпучего минерального заполнителя зонально структурируется в процессе стесненного сдвигово-ротационного относительного смещения частиц, инициирующего образование по поверхностям сдвига слоев распора с их эстафетной перекомпоновкой. При этом диссипация основной части осевых нагрузок силами трения и сцепления происходит в I и II зонах пластических деформаций на уровне и под головкой анкера на расстоянии до 5 диаметров скважины. Дальнейшее полное вырождение структурных смещений -сдвиговых деформаций с затуханием дилатансионных процессов, происходит в III зоне на расстоянии по длине втулки от 5 до 20 диаметров скважины. Уменьшение толщины слоев распора и рост их количества по длине скважины напрямую связан с уменьшением податливости АКМЗ и в основном зависит от геометрической формы головки анкера, плотности упаковки частиц МЗ и величины действующих нагрузок.

5. Разработана конструкция анкера АКМЗ, которая за счет сил трения, сцепления и дилатансии закрепляется в скважине сыпучим минеральным заполнителем при использовании песка фракцией (0,1-1,0) ТО"3 м с содержанием глины до 4 % и влажностью 6%, величине кольцевого зазора между стенкой шпура и головкой анкера (1,0—1,5)-10"3 м, длине головки л

45-10" м и ее угле заклинивания от 10° до 90° - соответственно, min и шах осевых смещений. При этом доказано, что при закреплении анкеров с указанными параметрами в приконтурном массиве горных пород минимально допустимая длина втулки из песка составляет 0,7 м.

6. Определены основные технологические параметры установки УЗАСМ, обеспечивающие качественное закрепление анкеров АКМЗ в скважинах различного расположения в пространстве с высокой скоростью. Установка камерного типа, эжекторно-нагнетательного принципа действия обеспечивает динамическую упаковку частиц МЗ с высокой плотностью турбулентным потоком воздушно-водяной смеси. При этом производительность составляет от 0,33 кг/с, коэффициент заполнения скважин сыпучим минеральным заполнителем более 0,6, зависящий от показателя аэродинамического уплотнения от 25 кг с/м4 и скорости вылета частиц от 5 до 30 м/с из сопла установки при его расстоянии до забойной зоны скважины 0,5-0,6 м. Высокая плотность упаковки частиц сыпучего минерального заполнителя в скважинах формирует фильтрующую среду для цементных растворов.

7. Разработана технология анкер-инъекционного крепления, включающая в себя комплекс решений по созданию сетки дополнительных дренажных скважин с установкой в них анкеров с сыпучим минеральным заполнителем, радиальному к оси дренажных скважин отфильтровыванию жидкой фазы с ее свободным сбросом, отфильтровыванию жидкой фазы при нагнетании раствора через инъекционные анкеры или скважины с анкерами, заполненными сыпучим минеральным заполнителем только на минимально необходимую для равнопрочного закрепления длину втулки. При этом технология рассмотрена как единый процесс консолидации нарушенных пород, обеспечивая устойчивость и снижение материалоемкости при строительстве и эксплуатации капитальных горных выработок.

8. Эффективность технологии анкер-инъекционного крепления капитальных горных выработок с использованием цементных растворов и сыпучего минерального заполнителя подтверждена положительными результатами натурных испытаний при внедрении основных элементов на 4 участках угольных шахт Кузбасса общей протяженностью 91 м. При этом способы цементационного упрочнения нарушенных пород с дренажем жидкой фазы раствора позволяют уменьшить толщину зоны упрочнения в 1,5 раза вследствие повышения плотности заполнения трещин цементным материалом и увеличения прочности приконтурного массива.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Майоров, Александр Евгеньевич, Кемерово

1. A.c. 768990, МКИ3 Е 21 D 1/16. Способ упрочнения горных пород / Г.И. Комаров, Е.Г. Дуда, Ю.В. Бурков, В.А. Хямяляйнен (РФ); № 2181552/22-03; заявл. 16.10.1975; опубл. 07.10.1980, Бюл. № 37. - 2 с. : ил.

2. A.c. 973852, МКИ3 Е 21 D 11/00. Способ упрочнения пород / М.П. Заборщик, H.H. Касьян, Е.И. Кольчик, А.Ф. Морозов (РФ); № 3227362/22-03; заявл. 29.12.1980; опубл. 15.11. 1982, Бюл. №42.-2 с.

3. A.c. 1046531, МКИ3 Е 21 D 21/00. Способ сооружения анкерной крепи / С.Б. Стажевский, Е.И. Шемякин, Н.Д. Юрьев, В.А. Коваленко, П.Т. Гайдин, В.Н. Власов (РФ); № 3407760/22-03; заявл. 11.03. 1982; опубл. 07.10. 1983, Бюл. № 37. -5с.: ил.

4. A.c. 1138511 МКИ4 Е 21 D 21/00. Способ закрепления несвязных пород / Ю.Б. Назаренко, Ю.Н. Куликов (РФ); № 3614435/22-03; заявл. 04.07.83; опубл. 07.02.85, Бюл. №5.-2 с.

5. Адамович, А.Н. Цементация оснований гидросооружений / А.Н. Адамович, Д.В. Колтунов. М.; Л.: Энергия, 1964.- 320 с.

6. Айтматов, И.Т. Тампонирование обводненных горных пород в шахтном строительстве / И.Т. Айтматов, Б.И. Кравцов, Б.Д. Половов. -М.: Недра, 1972.- 141 с.

7. Аллас, Э.Э. Укрепление оснований гидротехнических сооружений / Аллас Э.Э., Мещеряков А.Н.- М.: Энергия, 1966.- 115 с.

8. Баклашов, И.В. Механика подземных сооружений и конструкций крепей / И.В. Баклашов, Б.А. Картозия. М.: Недра, 1992. - 543 с.

9. Баклашое, И.В. Механические процессы в породных массивах / И.В. Баклашов, Б.А. Картозия. -М.: Недра, 1986. 272 с.

10. Баренблатт, Г.И. Теория нестационарной фильтрации жидкости и газа / Г.И. Баренблатт, В.М. Ентов, В.М. Рыжик. М.: Недра, 1972. - 288 с.

11. Баренблатт, Г.И. Движение жидкостей и газов в природных пластах / Г.И. Баренблатт, В.М. Ентов, В.М. Рыжик. М.: Недра, 1984. - 211 с.

12. Барях, A.A. Исследование и расчет геомеханических параметров упрочнения горных пород скрепляющими составами: Автореф. дис. канд. техн. наук. JL, 1982. - 17 с.

13. Безрук В.М. Укрепление грунтов в дорожном и аэродромном строительстве. М.: Транспорт, 1992. - 320 с.

14. Беляев, В.Ф. Укрепление горных пород / В.Ф. Беляев, М.Е. Певзнер,

15. A.B. Пястолов и др. М.: Недра, 1973. - 97 с.

16. Бочко, Э.А. Упрочнение неустойчивых горных пород при бурении скважин / Бочко Э.А., Никитин ВА. М.: Недра, 1979. - 168 с.

17. Булатов, А.И. Совершенствование гидравлических методов цементирования скважин / Булатов А.И., Уханов Р.Ф. М.: Недра, 1978.-240 с.

18. Булычев, Н.С. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок / Булычев Н.С., Фотиева H.H., Стрельцов Е.В. М.: Недра, 1986. - 287 с.

19. Бурков, Ю.В. Комбинированные инъекционные крепи / Ю.В. Бурков,

20. B.А. Хямяляйнен, Г.С. Франкевич. Кемерово, 1999. - 285 с.

21. Бурков, Ю.В. Направления совершенствования технологии инъекционного упрочнения пород вокруг выработок / Ю.В. Бурков,

22. B.А. Хямяляйнен, П.С. Сыркин // Шахтное строительство. 1989. - № 4.-С. 17-20.

23. Бурков, Ю.В. Обоснование и разработка технологии крепления капитальных выработок на основе инъекционного упрочнения горных пород: Автореф. дис. докт. техн. наук. Кемерово, 1998. - 34 с.

24. Быков, H.JT. Закономерности движения тампонажных растворов в процессе постановки изоляционных завес при сооружении капитальных горных выработок: Автореф. дис. канд. техн. наук. -Днепропетровск, 1984. 18 с.

25. Васильев, В.В. Технология физико-химического упрочнения горных пород / Васильев В.В., Левченко В.И. М.: Недра, 1991. - 267 с.

26. Васильев, В.В. Руководство по упрочнению неустойчивых горных пород и угля нагнетанием полиуретанового состава / В.В. Васильев, H.H. Томашев, В.И. Левченко и др. М.: ИГД им. Скочинского, 1988. -59 с.

27. Васючков, Ю.Ф. Повышение эффективности ведения горных работ с применением физико-химических способов упрочнения горного массива / Васючков Ю.Ф., Качак B.B. М.: ЦНИЭИуголь, 1986. - 36 с.

28. Вахрамеев, И.И. Теоретические основы тампонажа горных пород / И.И. Вахрамеев. М.: Недра, 1968. - 294 с.

29. Веригин, Н.И. Нагнетание вяжущих растворов в горные породы в целях повышения прочности и водонепроницаемости оснований гидротехнических сооружений // Изв. АН СССР, ОТН. 1952. - № 5.1. C. 674-687.

30. Витке, В. Радиус действия укрепления грунтов нагнетанием в трещиноватые скальные породы : Пер. № 78250 / 9/ВИНИТИ. М., 1968.

31. Волков, A.C. Тампонирование геологоразведочных скважин / Волков A.C., Тевзадзе Р.Н. М.: Недра, 1986. - 168 с.

32. Волков, H.H. Расчет комбинированной системы "крепь-оболочка" в выработках с заполнением закрепного пространства твердеющимиматериалами / Волков H.H., Александров А.Н. // Проведение, крепление и поддержание горных выработок: Сб. науч. тр. / ИГД им.

33. A.A. Скочинского. М., 1989. - С. 59-63.

34. Волоцкий Д.В. Основы глубинного укрепления грунтов земляного полотна автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1978. - 120 с.

35. Воронков, Г.Я. Влияние среды на процессы деформирования и разрушения горных пород в условиях напряженного состояния // Науч. сообщ. ННЦ ГП ИГД им. А.А.Скочинского. - 2004. Вып. 328. - С. 19 -25.

36. Временная инструкция по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Кузнецкого бассейна / КузНИУИ, Прокопьевск, 1996. 95 с.

37. Галъченко, 77.77. Выбор основных параметров предварительной цементации водоносных горных пород при сооружении вертикальных стволов: Автореф. дис. канд. техн. наук. -М., 1970. 18 с.

38. Герц, Е.В. Расчет пневмоприводов: Спр. пособ. / Е.В. Герц, Г.В. Крейнин. М.: Машиностроение, 1975. - 272 с.

39. Гидродинамическое взаимодействие частиц в суспензиях / Механика: Новое в зарубежной науке. Пер. с англ. М.: Мир, 1980. - 244 с.

40. Гончарук, П.П. Цементация горных пород при сооружении стволов шахт / П.П. Гончарук, A.A. Гуль, ЮТ. Клименко и др. М.: Недра, 1973.- 128 с.

41. Гольдштик, М.А. Процессы переноса в зернистом слое / М.А. Гольдштик; Институт теплофизики СО АН СССР. Новосибирск, 1984.- 163 с.

42. Давыдов, В.В. Химический способ укрепления горных пород / Давыдов

43. B.В., Белоусов Ю.И. М: Недра, 1977. - 228 с.

44. Дорман, Я. А. Специальные способы работ при строительстве метрополитенов. М.: Транспорт, 1981. - 302 с.

45. Дуда, Е.Г. Исследование процесса движения цементационных растворов при цементации трещиноватых и трещиновато-пористыхгорных пород: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1976. - 27 с.

46. Дуда, Е.Г. Руководство по производству предварительной цементации горных пород при проходке вертикальных стволов шахт глубиной до 400 500 м (временное) / Е.Г. Дуда и др.; под общ. ред. Н.Г. Трупака.- Кемерово, КузНИИшахтострой, 1972. 172 с.

47. Евтушенко, В.В. Применение тампонажа закрепного пространства при проведении горных выработок повышает устойчивость крепи // Шахтное строительство. 1975. - № 6. - С. 23-24.

48. Ерофеев, JI.M. Повышение надежности крепи горных выработок. / JI.M. Ерофеев, JI.A. Мирошникова. М.: Недра, 1988. - 248 с.

49. Ерофеев, JI.M. Инструкция по проектированию крепей капитальных горных выработок для условий угольных шахт Кузбасса / Ерофеев JI.M., Мирошникова JI.A. Кемерово, 1978, - 42 с.

50. Жужиков, В.А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий / В.А. Жужиков. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1980.-398 с.

51. Замесов, Н.Ф. Развитие интенсивных методов добычи руд на больших глубинах / Н.Ф. Замесов, И.И. Айнбиндер, Л.И. Бурцев и др.; под ред. Д.М. Бронникова. -М.: [б. и.], 1990.-233 с.

52. Заславский, И.Ю. Набрызгбетонная крепь / И.Ю. Заславский, A.B. Быков, В.Ф. Компанец. М.: Недра, 1986. - 198 с.

53. Заславский, И.Ю. Повышение устойчивости подготовительных выработок угольных шахт / И.Ю. Заславский, В.Ф. Компанец, А.Г. Файвишенко, В.М. Клещенков, М.: Недра, 1991. - 235 с.

54. Заславский, Ю.З. Инъекционное упрочнение горных пород / Ю.З. Заславский, Е.А. Лопухин, Е.Б. Дружко, И.В. Качан. М.: Недра, 1984.- 176 с.

55. Заславский, Ю.З. Новые виды крепи горных выработок / Ю.З. Заславский, Е.Б. Дружко. М.: Недра, 1989. - 256 с.

56. Зенков, Р.Л. Машины непрерывного транспорта / Р.Л. Зенков, И.И.

57. Ивашков, J1.H. Колобов: Учеб. пособ. для вузов по специальности «Подъемно-транспортные машины и оборудование». М.: Машиностроение, 1980. -304 с.

58. Иванченко, Ф.К. Расчеты грузоподъемных и транспортирующих машин / Иванченко Ф.К. и др.. Киев: Изд-во Объединение «Вища школа», 1975.-576 с.

59. Ивачев, JI.M. Промывка и тампонирование геологоразведочных скважин: Справ, пособие. М.: Недра, 1989. - 247 с.

60. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России. ВНИМИ. С-Пб. - 2000.

61. Калмыков, Е.П. Борьба с внезапными прорывами воды в горные выработки. М.: Недра, 1973. - 239 с.

62. Камбефор, А. Инъекция грунтов / А. Камбефор; пер. с фр. Р.Б. Казаковой и В.Б. Хейфеца. М.: Энергия, 1971. - 190 с.

63. Картозия, Б.А. Строительство горных выработок в сложных горнотехнических условиях: Справочник / Б.А. Картозия, В.А. Пшеничный, И.Г. Косков и др.; Под ред. БА. Картозия. М.: Недра, 1992.-320 с.

64. Картозия, Б.А. Теоретические основы крепления горных выработок крепью регулируемого сопротивления / Б.А. Картозия, В.А. Пшеничный // Специальные способы строительства подземных сооружений и шахт. М.: Изд-во МГИ, 1984. - 600 с.

65. Картозия, Б.А. Шахтное и подземное строительство: в 2 т .: учебник для вузов / Б. А. Картозия, Б.И. Федунец, М.Н. Шуплик и др. М.: Изд-во МГГУ, 3-е изд., перераб. и доп., 2003. - 2 т. - 815 с. - 732 с.

66. Касьян, H.H. Шахтные испытания нового способа упрочнения горного массива / H.H. Касьян, О.Г. Худолей, В.И. Лысенко // Уголь Украины. -1995. -№ 2. -С. 15-18.

67. Качан, И.В. Исследование и совершенствование способа упрочнения пород с целью повышения устойчивости горных выработок: Автореф.дис.канд. техн. наук. Л., 1980. -16 с.

68. Кеттелер, X. Двухслойная крепь сопряжения Проспер 10 с выработками околоствольного двора // Глюкауф. 1980, - № 17. - С. 5 - 12.

69. Кипко, Э.Я. Исследование тампонажа трещиноватых горных пород при сооружении капитальных горных выработок: Автореф. дис. докт. техн. наук. М., 1973. - 28 с.

70. Кипко, Э.Я. Комплексный метод тампонажа при строительстве шахт / Э.Я. Кипко, Ю.А. Полозов, О.Ю. Лушникова, В.А. Лагунов. М.: Недра, 1984.-280 с.

71. Кипко, Э.Я. Тампонаж обводненных горных пород: Справочное пособие / Э.Я. Кипко, Ю.А. Полозов, О.Ю. Лушникова и др. М.: Недра, 1989.-318 с.

72. Комаров, Г.И. Исследование и совершенствование предварительной цементации водоносных горных пород при проходке шахтных стволов в ус~ловиях Кузбасса: Автореф. дис. канд. техн. наук. Кемерово, 1976.-22 с.

73. Кондратов, А.Б. Исследование метода повышения устойчивости выработок последующим тампонажем пород: Автореф. дис. канд. техн. наук.-Л., 1976.-20 с.

74. Кондратов, А.Б. Исследование и прогнозирование основных физико-механических свойств породного массива при его инъекционном упрочнении / А.Б. Кондратов, A.A. Барях // ФТПРПИ. 1981. - № 5. -С. 6- 14.

75. Корецкий, Б.А. Исследование и выбор оптимальных параметров и схем предварительной цементации пород при проходке стволов шахт в условиях Кузбасса: Автореф. дис. канд. техн. наук. Кемерово, 1970. - 23 с.

76. Коробкин, С.Г. Разработка технологических параметров способа предотвращения пучения почвы капитальных выработок разгрузкой иупрочнением пород: Автореф. дис. канд. техн. наук. -М., 1989. 13 с.

77. Косков, И.Г. Новые материалы и конструкции крепи горных выработок / И.Г. Косков. М.: Недра, 1987. - 196 с.

78. Красовицкий Ю.В., Жужиков В.А. II Химическая промышленность. -1964.-№8.-С. 60-61.

79. Кузьмин, Е.В. Упрочнение горных пород при подземной добыче руд. -М.: Недра, 1991.-253 с.

80. Куликов, Ю.Н. Основы проектирования тампонажных растворов // Строительство шахт, рудников и подземных сооружений: Межвуз. науч.-темат. сб. / Свердлов, горн, ин-т. 1982. - Вып. 6. - С. 83-88.

81. Лагунов, В.А. Исследование влияния деформационного поведения горного массива на процесс тампонажа трещиноватых горных пород: Автореф. дис. канд. техн. наук. Днепропетровск, 1980. -28 с.

82. Литвинский, Г.Г. Монолитная оболочка выработки из разгруженных и упрочненных пород // Шахтное строительство. 1981. - № 12. - С. 17 -20.

83. Литвин, А.З. Проходка стволов шахт специальными способами / Литвин А.З., Поляков Н.М. М: Недра, 1974. - 328 с.

84. Литовченко, В.Н. Предварительный тампонаж крупных карстовых пустот при сооружении вертикальных горных выработок на примере Добруджанского угольного месторождения НРБ: Автореф. дис. канд. техн. наук. Днепропетровск, 1984. - 19 с.

85. Логачев, Н. Т. Влияние потока воды в трещине на цементацию и размыв цементного осадка / Логачев Н.Т., Максимчук ЮА. // Шахтное строительство. 1985. - № 4. - С. 28-29.

86. Логачев, Н.Т. Исследование и совершенствование способа предварительной цементации водоносных пород при проходке шахтных стволов: Автореф. дис. канд. техн. наук. -М.: Недра, 1970. 18 с.

87. Ломизе, Г.М. Фильтрация в трещиноватых породах / Г.М. Ломизе. М.: Госэнергоиздат, 1951. - 127 с.

88. Лушникова, О.Ю. Контроль и управление процессами водоизоляции подземных сооружений при тампонажных работах: Автореф. дис. докт. техн. наук. М, - 1986. - 29 с.

89. Лушникова, О.Ю. Теоретические аспекты оценки эффективности протяженных противофильтрационных завес вокруг карьеров / О.Ю. Лушникова, Г.Ф. Шилин // Изв. вузов. Горный журнал. 1992. - № 2. -С. 14-18.

90. Малинин, А.Г. Обоснование параметров инъекционного упрочнения рыхлых (несвязных) пород скрепляющими составами: Автореф. дис. канд. техн. наук. Тула, 1986. - 17 с.

91. Майоров, А.Е. Консолидирующее крепление горных выработок / А.Е. Майоров, В.А. Хямяляйнен; науч. ред. В.А. Хямяляйнен; Сиб. отд-ние РАН, КемНЦ. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. - 260 с.

92. Майоров, А.Е. Обоснование параметров анкерной крепи, закрепляемой сыпучим минеральным заполнителем: Дис. . канд. техн. наук : 05.15.02; Ин-т угля и углехимии СО РАН, Кемерово, 1998. - 179 с.

93. Максимов, А.П. Тампонаж горных пород / А.П. Максимов, В.В. Евтушенко. М.: Недра, 1978. - 180 с.

94. Малевич, И.П. Транспортировка и складирование порошкообразных строительных материалов / И.П. Малевич, В.С. Серяков, А.В. Мишин. М.: Стройиздат, 1984. - 184 с.

95. Малиновская, Т. А. Разделение суспензий в химической промышленности / Т.А. Малиновская. М.: Химия, 1983. - 264 с.

96. Мамонтов, Н.В. Борьба с подземными водами при проведении горных выработок / Н.В. Мамонтов, ЮА. Веселов, В.А. Рыбачук. Киев: Техника, 1988. - 152 с.

97. Машины и оборудование для угольных шахт. Справочник; под общ. ред. В.П. Герасимова и В.Н. Хорина. М.: Недра, 1979. - 416 с.

98. Методическое руководство по применению анкерной крепи на шахтах ЗАО УК «Южкузбассуголь». Новокузнецк: ОАО ОУК

99. Южкузбассуголь», 2005. 47с., ил.

100. Миликулов, АД. Методика расчета параметров тампонажной гидроизоляционной завесы коллекторных тоннелей // Строительство подземных сооружений и шахт. М.: МГИ, 1978. - С. 84-87.

101. Мищевич, В.И. Гидродинамические исследования поглощающих пластов и методы их изоляции. М.: Недра, 1972. - 288 с.

102. Мостков, В.М. Применение набрызгбетона при проведении горных выработок / В.М. Мостков, И.Л. Воллер. М.: Недра, 1968. - 127 с.

103. Мошев, В. В. Реологическое поведение концентрированных неньютоновских суспензий / В.В. Мошев, В.А. Иванов. М.: Наука, 1990.-87 с.

104. Наказная, Л.Г. Фильтрация жидкости и газа в трещиноватых коллекторах / Л.Г. Наказная. М.: Недра, 1972. - 179 с.

105. Насберг, В.М. Фильтрационные расчеты туннелей и шахт при наличии вокруг них цементации / Насберг В.М., Илюшин В.Ф. // Гидротехническое строительство. 1973. - № П. - С. 34-39.

106. Насонов, ИД. Технология строительства горных предприятий: Учеб. для вузов / Насонов И.Д., Шуплик М.Н., Ресин В.И. М.: Недра, 1990. -351 с.

107. Технология строительства подземных сооружений: Специальные способы строительства: учебник для вузов / И. Д. Насонов, В. И. Ресин, М. Н. Шуплик, В. А. Федюкин. М. : Издательство Академии горных наук, 3-е изд., перераб. и доп., 1998. 375 с.

108. Нигматулин, Р.И. Динамика многофазных сред / Р.И. Нигматулин. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. Ч. 1. 464 с.

109. Нигматулин, Р.И. Динамика многофазных сред / Р.И. Нигматулин. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. Ч. 2. — 360 с.

110. Отраслевая инструкция по применению металлических, сборных железобетонных анкеров и анкерных крепей в подготовительных выработках угольных и сланцевых шахт. М., 1973. - С. 70 - 71.

111. Панин, В.Е Структурные уровни деформации твердых тел / В.Е. Панин, В.А. Лихачев, Ю.В. Гриняев. Новосибирск: Наука, 1985. - 229 с.

112. Пат. 2094590 Российская Федерация, МПК6 Е 21 В 33/13. Способвибрационного цементирования обсадных труб в скважинах / A.B. Бакулин; заявитель и патентообладатель Бакулин A.B. № 92012958/03; заявл. 21.12.1992; опубл. 27.10.1997. - 6 е.: ил.

113. Пат. 2166636 Российская Федерация, МПК7 Е 21 D 21/00. Гибкий анкер / В.Е. Ануфриев, A.B. Ремезов, А.Е. Майоров; заявитель и патентообладатель Ин-т угля и углехимии СО РАН. № 97118201/03; заявл. 04.11.1997; опубл. 10.05.2001, Бюл. № 13. - 7 е.: ил.

114. Пат. 2320875 Российская Федерация, МПК Е 21 D 21/00. Способ крепления горных выработок и устройство для его осуществления / В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров; заявитель и патентообладатель ГУ

115. КузГТУ. № 2006132158/03; заявл. 06.09.2006; опубл. 27.03.2008, Бюл. №9.-9 е.: ил.

116. Пат. 2321749 Российская Федерация, МПК Е 21 D 21/00. Анкер / В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров; заявитель и патентообладатель ГУ КузГТУ. № 2006135582/03; заявл. 09.10.2006; опубл. 04.10.2008, Бюл. №10. - 6 е.: ил.

117. Пат. 2337241 Российская Федерация, МПК Е 21 D 11/00. Способ цементации трещиноватых горных пород / В.А.Хямяляйнен,

118. A.Е.Майоров; заявитель и патентообладатель ГУ КузГТУ. № • 2007108647/03; заявл. 07.03.2007; опубл. 27.10.2008, Бюл. № 30. - 6 е.:ил.

119. Пат. 2374450 Российская Федерация, МПК Е 21 D 21/00. Анкер / В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров; заявитель и патентообладатель ГУ КузГТУ. -№ 2008142662/03; заявл. 27.10.2008; опубл. 27.11.2009, Бюл. №33.-8 е.: ил.

120. Пат. 2383739 Российская Федерация, МПК Е 21 D 21/00. Канатный анкер / В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров, A.B. Майорова; заявитель и патентообладатель ГУ КузГТУ. № 2008142691/03; заявл. 27.10.2008; опубл. 10.03.2010, Бюл. № 7. - 10 е.: ил.

121. Пат. 2415270 Российская Федерация, МПК E21D21/00. Анкер / В.А. Хямяляйнен, А.Е. Майоров; заявитель и патентообладатель ГУ КузГТУ. № 2009138609; заявл. 19.10.2009; опубл. 27.03.211, Бюл. № 9.-7 е.: ил.

122. Першин, ВВ. Крепление сопряжений капитальных горных выработок /

123. B. В. Першин, В. А. Минин, А. Н. Садохин. Томск: Издательство ТГУ,1996.- 179 с.

124. Першин, B.B. Интенсификация строительства вертикальных стволов на угольных шахтах / В. В. Першин, А. Н. Садохин, В. М. Удовиченко. Томск : Издательство ТГУ, 1994. 161 с.

125. Полозов, Ю.А. Методика расчета параметров водоподавления в пористых породах // Шахтное строительство. 1989. - № 9. - С. 14 -16.

126. Пониматкин, П. У. О глубине и давлении укрепительной цементации в напорных туннелях // Гидротехническое строительство. 1971. - №6. -С. 12-16.

127. Пониматкин, П.У. О глубине цементации в напорных туннелях с тонкой обделкой // Гидротехническое строительство. 1973. - № 1. — С.19-23.

128. Попов, A.B. Разработка тампонажных растворов для водоизоляции капитальных горных выработок в сложных горно-геологических условиях: Автореф. дис. канд. техн. наук. Тула, 1984. -23 с.

129. Попов, И.В. Разработка технологии сооружения водоизоляционных завес в трещиновато-пористых горных породах при строительстве шахтных стволов: Автореф. дис. канд. техн. наук. Тула, 1984. - 22 с.

130. Развитие методов ведения взрывных работ на карьерах с учетом улучшения экологических условий: сб. ст. / АН СССР, Ин-т пробл. комплекс, освоения недр; под общ. ред. Д.М. Бронникова. М.: б. и., 1991.- 150 с.

131. Рац, М.В. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород / М.В. Рац, С.Н. Чернышев. М.: Недра, 1970. - 160 с.

132. Ржаницин, Б.А. Химическое закрепление фундаментов в строительстве. М: - Стройиздат, 1986. - 264 с.

133. Ревуженко, А.Ф. Задачи механики сыпучих сред в горном деле / А.Ф. Ревуженко, С.Б. Стажевский, Е.И. Шемякин // ФТПРПИ. 1982. - №3. -С. 19-25.

134. Ревуженко, А.Ф. О структурно-дилатансионной прочности горных пород / А.Ф. Ревуженко, С.Б. Стажевский, Е.И. Шемякин. ДАН СССР. 1989. - Т.305, № 35. - С. 1077 - 1080.

135. Ревуженко, А.Ф. Механика сыпучей среды / А.Ф. Ревуженко. -Новосибирск: «Офсет», 2003. 373 с.

136. Ремезов, A.B. Анкерное крепление на шахтах Кузбасса и дальнейшее его развитие: учебное пособие / A.B. Ремезов, В.Г. Харитонов, В.П. Мазикин и др.. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2005. - 471 с.

137. Ровинский, Л.А. Седиментация суспензий / Ровинский JT.A. М.: Компания Спутник+, 2003. - 55 с.

138. Руководство по применению крепей, использующих несущую способность упрочненного массива / МакИСИ. Макеевка, 1984. - 69 с.

139. Руководство по технологии крепления горных выработок с применением опалубки ОМП, основанной на использовании несущей способности горных пород / КузНИИшахтострой. Кемерово, 1989. -42 с.

140. Руппенейт, К.В. Расчет крепи шахтных стволов / К.В. Руппенейт и др.. М.: Изд-во АН СССР, 1962. - 120 с.

141. Саламатов, МА. Основные закономерности течения тампонажных растворов в трещиноватых горных породах // Изв. вузов. Горн, журн. -1975,-№8,-С. 25-30.

142. Семовский, В.Н. Штанговая крепь / Семовский В.Н. и др.. М.: Недра, 1965.-328 с.

143. Спиваковский, А.О. Гидравлический и пневматический транспорт на горных предприятиях / А.О. Спиваковский и др.. М.: Госгортехиздат, 1962.-251 с.

144. Спиваковский, А.О. Транспортные машины / А.О. Спиваковский, В.К. Дьячков. — 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1968. - 504 с.

145. Спичак, Ю.Н. Новая методика расчета процесса упрочнения и тампонажа обводненных, тектонических нарушений при ведении проходческих и очистных работ // Шахтное строительство. 1988. - № 10.-С. 18-20.

146. Справочник инженера шахтостроителя / Под редакцией В.В. Белого. -Т. 1 -М: Недра, 1983-433 с.

147. Справочник металлиста: В 5 т. Изд. 3-е, перераб.; под общ. ред. С.А. Чернавского и В.Ф. Рещикова. М.: Машиностроение, 1976. Т. 1. - 768 с.

148. Справочник по сооружению шахтных стволов специальными способами / В.В. Давыдов и др.; под общ. ред. Н.Г. Трупака. М.: Недра, 1980.-390 с.

149. Стрельцов, Е.В. Крепление горных выработок угольных шахт набрызгбетоном / Е.В. Стрельцов, Э.В. Казакевич, Д.И. Пономаренко. -М.: Недра, 1987.-237 с.

150. Сыркин, П. С. Разработка и обоснование технологии тампонажа горных пород цементацией при строительстве капитальных выработок: Автореф. дис. докт. техн. наук. Кемерово, 1996. - 35 с.

151. Технологические схемы комбинированного тампонирования для предупреждения и ликвидации аварийных ситуаций при проходке и эксплуатации горных выработок. Кемерово: КузНИИшахтострой, 2001.-94 с.

152. Технологические схемы предварительного тампонирования водоносных горных пород при сооружении вертикальных стволов шахт/ КузНИИшахтострой. Кемерово, 1979. - 77 с.

153. Технологические схемы упрочнения массивов горных пород цементацией при проведении капитальных горных выработок в зонах геологических нарушений / КузНИИшахтострой. Кемерово, 1980. -68с.

154. Титков, Н.И. Технология цементирования нефтяных скважин / Титков

155. Н.И., Дон Н.С. M.: Гостоптехиздат, i960. - 230 с.

156. Трайнис, В.В. Параметры и режимы гидравлического транспортирования углей по трубопроводам / В.В. Трайнис. М.: Наука, 1970.- 169 с.

157. Трупак, Н.Г. Цементация трещиноватых пород в горном деле / Н.Г. Трупак. -М.: Мегаллургиздат, 1956. -420 с.

158. Угляница, A.B. Цементация трещиноватых пород в условиях подготовительных горных выработок / А. В. Угляница, В. В. Першин. -Кемерово, 1998.-220с.

159. Фигиман, Г. Технология изготовления несущих элементов легких конструкционных бетонов: Дис. . д-ра техн. наук: 05.23.08; Технический университет Молдовы, 2006. 169 с.

160. Фортъе, А. Механика суспензий / А. Фортье; пер. с франц. М.: Мир, 1971.- 167 с.

161. Франкевич, Г. С. Крепление выработок в сложных горно-геологических условиях. М.: МГГУ, 1997. - 255 с.

162. Фрянов, В.Н. Обоснование параметров технологии подготовки и отработки мощных пологих пластов / Фрянов, Виктор Николаевич, Чубриков, Андрей Викторович. Новокузнецк: СибГИУ, 2002. - 216 с.

163. Фрянов, В.Н. Расчет геомеханических параметров сопряжений горных выработок / В. Н. Фрянов, Т. В. Петрова, В. Г. Лаврик, С. Р. Ногих. -Новокузнецк: СибГИУ, 1998. 157 с.

164. Хачикян, Г.Г. О величине давления укрепительной цементации в напорных туннелях гидротехнического строительства // Гидротехническое строительство. 1970. -№ 8. - С. 27-32

165. Хачикян, Г.Г. О глубине укрепительной цементации в напорных гидротехнических туннелях // Гидротехническое строительство. 1964. -№ 12.-С. 19-23.

166. Ходаков, Г. С. Реология суспензий. Теория фазового течения и ее экспериментальное обоснование // Российский химический журналжурн. Рос. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева). 2003. - Т. XLVII, № 2. -С. 33-44.

167. Ходаков, Г. С. Седиментационный анализ высокодисперсных систем / Г.С. Ходаков, Ю.П. Юдкин. М.: Химия, 1981. - 102 с.

168. Хямяляйнен, В.А. Моделирование процесса инъектирования цементных растворов в породный массив// ФТПРПИ. 1992. -№ 5.-С. 37-44.

169. Хямяляйнен, В.А. Управление процессом формирования цементационных завес вокруг капитальных горных выработок: Автореф. дис. докт. техн. наук. Кемерово, 1992. - 35 с.

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

171. Хямяляйнен, В.А. Физико-химическое упрочнение пород при сооружении выработок / В.А. Хямяляйнен, В.И. Митраков, П.С. Сыркин. М.: Недра, 1996. - 352 с.

172. Хямяляйнен, В.А. Цементация слоистых пород / В.А. Хямяляйнен, A.B. Угляница. РАЕН; КузГТУ. Кемерово, 2000. - 218 с.

173. Черняк, ИД. Повышение устойчивости подготовительных выработок. -М.: Недра, 1993.-256 с.

174. Швец, В.Б. Усиление и реконструкция фундаментов / В.Б. Швец, В.И. Феклин, J1.K. Гинзбург. М.: Стройиздат, 1985. - 204 с.

175. Шемякин, Е.И. О прочности горного массива // Науч. сообщ. Науч. сообщ. ННЦ ГП ИГД им. А.А.Скочинского. - 2004. Вып. 328. - С. 8 -18.

176. Шемякин Е.И. Синтетическая теория прочности. Ч. 1 // Физическая мезомеханика. 1999. - Т.2. - № 2. - С. 63 - 69.

177. Шемякин Е.И. О сдвиговой прочности горных пород // Физическая мезомеханика. 2004. - Т.7. - № 6. - С. 5 - 10.

178. Широков, А.П. Расчет анкерной крепи для различных условий применения / Широков А.П., Лидер В.А., Писляков Б.Г. М.: Недра,1976.-208 с.

179. Широков, А.П. Справочник по анкерному креплению / Широков А.П. и др..-М.: Недра, 1991.- 185 с.

180. Шмидт, K.JI. Упрочнение вмещающих пород раствором и цементным молоком // Глюкауф. 1966. - № 1. - С. 1-9.

181. Шталь, Р. Упрочнение горных пород способом цементации // Глюкауф. 1963. -№ 20. - С. 21-26.

182. Шталь, Р. Цементация горных пород при проходке выработок на североамериканском руднике // Глюкауф. 1964. - № 14. - С. 31-39.

183. Штепа, A.B. Разработка параметров технологии и средств механизации возведения породобетонной крепи для условий слабых вмещающих пород: Автореф. дис. канд. техн. наук. Днепропетровск, 1983. - 18 с.

184. Штефе, Г. Опыт упрочнения горных пород // Глюкауф. 1969. - № 2. -С. 8-15.

185. Штумпф, Г.Г. Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна / Г.Г. Штумпф, Ю.А. Рыжков, В.А. Шаламанов, А.И. Петров: Справочник. М.: Недра, 1994. - 447 с.

186. Эристов B.C. Об обделках напорных туннелей с глубокой цементацией породы // Гидротехническое строительство. 1973. - № 7. - С. 28-32.

187. Эристов B.C., Мазур A.M. Подземные работы и улучшение скальных оснований плотин. -М: Энергия, 1966. 153 с.

188. Atzeni, Crillo. Model for the Thixotropic Behavior of Cement Pastes. Модель тиксотропного поведения цементного теста / Atzeni Crillo, Maseldda Lurgi, Sanna Ulrico. // Ind. and Eng. Chem. Prod. Res. and Dev.- 1986.-N3.-P. 499-504.

189. Busch К. Beitrag zur Lozung von Grundwasserstrom gangsprobleraen durch physikalisch annliche Modellversuche // Bergbautechnik. Leipzig. - 1968.- Helf 2.

190. Collepardi, M. The Influence of Admixtures on Concrete Rheological Properties. Влияние добавок на реологические свойства бетона // II

191. Cemento.- 1982.-N4.-P. 217-242.

192. Ii Gongyou. Desing and Application of Cement Grouting and Bolt Support System I I Mine Construction Technologi (China). 1996. - 4. - P. 45-48.

193. Graham, B. Wallis. Одномерные двухфазные течения / Пер. с англ. М.: Мир, 1972.-440 с.

194. Hogan, F.J. Evaluation for Durability and Strength Development of a Ground Granulated Blast Furnace Slag / F.J. Hogan, J.W. Meusel // Cements, Concrete and Aggregates. 1981. -V. 3. -N 1. - P. 40 - 52.

195. Kakuta, S. Evaluation of Viscosity of Cement Paste. Оценка вязкости цементного теста / S. Kakuta, Т. Akashi // Rev. 32nd Gen. Meet. Cem. Assoc. Jap. Techn. Sess., Tokyo, 1978, Synopses. Tokyo. - 1978. - P. 53 -54.

196. Kakuta, S. Evaluation of Viscosity of Fresh Concrete. Оценка вязкости бетонной смеси / S. Kakuta, M. Fujii, Т. Akashi // Rev. 33nd Gen. Meet. Cem. Assoc. Jap. Techn. Sess., Tokyo, 1979, Synopses. -Tokyo. 1979. -P. 129-131.

197. Kynch, G.J. Trans. Faraday Soc. 1952. - V. 48. C. 166 - 176.

198. Lane, R.O. Properties and Use of Fly Ash in Portland Cement Concrete / R.O. Lane, J.F. Best // Concrete International. 1982. - V. 4. - N 7. - P. 81 -92.

199. Lange W. und and. Die Aufhahme der hudraulischen Bohrlochcharakter-istik als mögliche Zuterprufmethode bei Felsinjektionen // Neue Bergbautechnik.-Leipzig.-1973 .-Helf 4.

200. Han Lijun, Ii Gongyou. Study on Support Test in Mining Roadway With Very Unstable Strata // Coal Science and Technology (China). 1997. - 2. -P. 22-26.

201. Liu, A.F. Stress intehsity factor for a corner flaw // Eng. Fract. Mech., V. 4 (19'12). -P. 175- 180.

202. Luthke J. und and. Erfahrungen mit der zirkulierenden Injektion Langer Bohrlochabschnitte aus ingenieurgeologischer Sicht // Neue Bergbautechnik. Leipzig. - 1973. - Helf 4.

203. Markkraf H. Die zirkulierende Injection langer Bohrlochabschnitte ein Behrag zur Leistungs-steigerang beim Herstellen von Dichtungsschleiern im Felsgestein// Neue Bergbautechnik. - Leipzig. - 1973. - Helf4.

204. Massazza, F. Rheological Problems Related to the use of Cement. Реологические проблемы цементных бетонов / F. Massazza, U. Costa // Cemento. 1982. - N 4. - P. 217 - 242.

205. Nash, W.R. Grouting in Underground Mine Construction // Mining Engineering. 1984. - 3. - P. 248-250.

206. Okada Kiyoshi. Fracture Process of Concrete' in Compression. Процесс разрушения бетона при сжатии / Okada Kiyoshi, Koyanagi Wataru, Rokugo Keitetsu. // Proc. 2nd Int. Conf. Mech. Behav. Mater. Boston, Mass., 1976. - S. 1. - P. 1358 - 1362.

207. Older, I. Rheological Properties of Cement Pastes. Реологические свойства цементного теста /1. Older, Т. Becker, В. Weiss // Cemento. 1978. - N 3. -P. 303 -310.

208. Rendchen, K. Einfluß Verschiedener Zemente auf das Fliebverhalten und die Stabiiitat von Zementsuspensionen. Влияние различных цементов на текучесть и стабильность цементных суспензий. // Betontechn. Вег. -1976.-S. 123 133. 1.218.

209. Reuter F. Injektionen zur Verbesserung von Baugrund und Bauwerk -eine Bewertung des gegenwartigen Entwicklangesstandes // Neue Bergbautechnik.-Leipzig.-1983 .-Helf 4.

210. Shirato M., Murase Т., Tokunaga A. e.a. // J. Chem. Eng. Japan. 1974. -V.7.-N3.-P. 229-231.

211. Zuber N. //Chem. Eng. Sei. 1964.-N 19.-P. 897-917.