Временная инструкция по укреплению горных пород химическими растворами

Канд. техн. наук В. В. ДАВЫДОВ Инж. Ю. И. БЕЛОУСОВ Инж. Е. П. КАРИКОВ канд. техн. наук Н. А. ГНИЛОРЫБОВ

ВРЕМЕННАЯ ИНСТРУКЦИЯ ПО УКРЕПЛЕНИЮ ГОРНЫХ ПОРОД ХИМИЧЕСКИМИ РАСТВОРАМИ

м инистерство угольной промышленности СССР Академия наук СССР Ордена Трудового Красного Знамени Институт горного дела им. А. А. Скочинскот

Утверждена директором института проф.. докт. гехн. наук А. В. ДОКУКИНЫМ 14    мая__

Каид. техн. наук В. В. ДАВЫДОВ, инж. Ю. И • БЕЛОУСОВ, инж. Е.П.КАРИКОВ, канд. техн. наук Н . А. ГНИ ЛОРЫ БОВ

ВРЕМЕННАЯ ИНСТРУКЦИЯ ПО УКРЕПЛЕНИЮ ГОРНЫХ ПОРОД ХИМИЧЕСКИМИ РАСТВОРАМИ

Ш. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЩЮВАиШ

Испытания образцов сыпучих, пород

определение времени отверждения образцов

Опыты по определению времени отверждения образцов порода, обработанных раствором смолы с отвердит ел ем, проводятся в цилиндрических формочках высотой 40 мм и внутренним диаметром 25 мм при температуре 20°С. Всего готовится 4 образца, два ив которых отверждаются в водной среде, а два - на воздухе.

За начало отверждения образца принимается такой момент, когда игла Вика не доходит до нижней поверхности формочки на 1-3 мм.

Определение прочности образцов на одноюное сжатие при атмосферном давлении и различных сроках хранения

Для определения прочности на сжатие готовятся образцы кубической формы размерами 20x20x20 мм. В колбу Бунзена, соединенную с вакуум-насосом Камовского, вставляется плоскодонная продолговатая воронка с отверстиями по всему дну. Размер воронки позволяет вкладывать в нее стандартные Форш, s которых приготовляются образцы для испытания прочности на ежатие.

Перед укладкой формы на дно воронки кладется металлическая сетка, на которую ставится форма, затем пространство между формой и стенками воронки герметизируется пластилином.

В форму засыпается порода, уплотняется и заливается раствором смолы и отвердктеля.

При задержке раствора на поверхности песка включается вакуум-насос. Определение прочности на сжатие производится на образцах одно-, трех-, семи- и двадцативосьмисуточной, трех- и шестимесячной выдержки.

Для испытания готовится по шесть образцов каждого возраста, три из которых отверждаются и хранятся на воздухе, а три - в эксикаторах с водой при температуре от +5 до +20°С.

Испытание образцов на прочность проводится на прессе.

Определение водопроницаемости

Испытание образцов на водопроницаемость производится на установке УКПК-1У. Образны для испытания приготавливаются в цилиндрических формах высотой 40 ш и внутренним диаметром 25 мм по той же методике, что и при определении прочности на сжатие.

Для испытания готовится по шесть образцов каждого возраста, три из которых отверждаются и хранятся в водной среде и три на воздухе при температуре от +20 до +5°С.

Испытание образцов на установке УИЛК-ГУ заключается в следующем:    с помощью двухмерных прессов через испытуемые образцы

прокачивается вода, расход которой регулируется редукторе:/., перепады давлений до I ат отсчитываются на диффланометре, более I ат - на технических манометрах.

По данным о расходе вода, перепаде давлений и размерам образца определялся коэффициент фильтрации:

где Q - расход воды, см³/сек;

I - длина образца, см;

F - сечение образца, см²; др - перепад давления, см вод.ст.

исследованиями, проведенными в ИГД им.А.А.Скочинского, установлена возможность применения химического укрепления ооводнеп-иых песчаных пород растворами смол и определено значительное количество составов растворов на основе следующих смол: мочеви-ноформальдегидной, меламиномочевинофор:.шльдегидной, мочевино-формальдегидной, модифицированной ацетоном, смолы 89, являющейся продуктом конденсации метафенилендиамш;а к эпихлоргидрика и др.

В лабораторных условиях обрабатывался кварцевый песок люберецкого карьера крупностью зерен от 0,50 до 0,25 мм.

данные о смолах, растворах и результатах испытаний обрз-боташшх песчаных образцов приведены в табл. I.

* х

12

I S 1 о X о вкых смол Показатели Наименование Марка ВЯЭ- удельный Раствор растворов смол кость, санти- вес, г/см3 pH вяз- время пуазы кость. от вер- санти- ддения. пуазы мин Ыочевпнофор»*- алъдегидная ИФ-Г7 I43C 1,25 6,5-8,0 Раствор duo-ды МФ-17 602 27,9 40 концентрации с добавлением 3.52 щавелевой кислота Меламиноыоче- т-2 4S-78 1,19-1,23 7,5-8,7 ISA-2 с добав- 35,6 30 виноформальде лею:eu 152 гидная щавелевой кислота альдегиде о- I,JZ-I,24 6,8-7,о УФА 70? кон- 45,0 45 ацетоновая центрашш с 42 Щавелевой кислота .Меламин омоче- 13-Г 13,0 1,16 7.5 13-Г с добав- 15,0 45 викофорыаль- лением 192 дегндная, ио- персульфата дотирован- аьаюкия и 2% ная акридами- щавелевой дом кислота Мочевин офоры- UW-K 25,0 1,15 7,0-8,0 Uto-K с 2,42 31.6 55 альдегидная, модифицирован МСФЛ 20,0 1,23 6.9 щавелевой кислота. 14,0 40 ная футхрура- ЫФД- 14,5 1,16 7,1-7,6 iK-^Д с 4,52 щавелевой 29,3 34 МИДОМ I7/4C кислота, М‘»А=Г7/40 С 0,62 щавелевой кислота Мочевинофоры-альдепдная, тъ-А 245,0 1,25 7,6-8,0 Раствор смолы MWА 702 25,6 37 модифицирован ная Фурфуро- концентрации с 42 щавеле- дои и ацетоном вой кислота Мочевкноформ- Кре- 85,0 1,12 7,8 Крепитель •К" с до- 85,0 25 альдегидная, ПИ- модифиДиро- тель давлением 122 щавеле- ванная поли- "К" виниловым спиртом вой кислота 27,5 50 Мояев1Щофор»б-альдегздная, модифицированная фури-лозыы спиртом Ы«>7 65-480 1,22-1,26 ' 7,8 Раствор на основе сыо-аиво-7 702 концентрации с 1,52 щавелевой кислота Одола-продукт конденсации метафекилен-диамкна и » 8Э 8,6- 18,8 1,13 2,9 СМола 6 89 12,8 35 с добавлением 222 ЫФА-155 эпихлоргзд- рииа Эпоксканилп- новая ЭА 62,0 Одола ЭА и полиэтилен-полиамлк в соотноаении 1:1

Таблица I

Коэффициент фильтрации (cu/сек. 10“6), упрочненных песча.чл образцов при хранении в вод-__ной соеде в течение___ Прочие уцрОЧг хране* >сть на схатие {енных образц ши в водной ср кг/ см^ or при еде в I суток 3 суток 7 суток 28 суток теч I суток 3 суток 7 сутск 28 суток 0,04 0,025 0,029 0,042 52,0 64,6 65,7 66,2 0,01 0,009 0,009 0,003 32,5 64,0 77,0 72,5 259 0,25 0,24 0,22 40,0 40,0 40,0 61,0 0,017 0,0028 0,0036 0,0054 57,0 66,6 70,0 90,0 0,067 0,49 0,16 0,086 43,8 46,5 62,3 54.0 0,0023 0,0023 0,0023 0,005 104,0 100,0 116,0 112,0 0,2 0,20 0,16 0,17 19,0 30,0 31,0 23,0 0,51 0,35 0,07 0,093 25,7 36,8 36,7 44,4 0,10 0,15 0,01 U,0I 25,0 25,0 26,7 84,0 5,3 0,35 U.U7 0,096 25.7 36,6 36,7 44,4 1,004 0,015 0,032 0,008 31,0 35.0 30,0 21,0 0,003 0,003 0.003 0,003 - - - 150

Лабораторные исследования образцов связных пород

Испытания прочности укрепленной породы при разрыве проводятся методом раскалывания склеенных образцов клиньями.

Для этого из породы выпиливаются образцы размером 4x4x2 см, склеиваются раствором смолы, и выдергиваются в соответствующей' среде (сухой или влажной). Испытания проводятся через I, 3, 6, L2 ч и через сутки. Прочность укрепленной породы определяется как среднее арифметическое рззультатов испытаний одновременно трех образцов и рассчитывается по формуле ^ _ Р_ ^ где Р - разрушающее усилие, кГ;    F

F - площадь клеевого соединения, сиг;

6 - величина сцепления, кГ/сьг.

Для определения величины сцепления укрепленной породы прй сдвиге из породы выпиливаются образцы размером 5x5x1 см и склеиваются, затем хранятся в соответствующей среде. Испытания прочности сцепления образцов проводятся в те же сроки, что и испытания на разрыв. Величина сцепления определяется пи формулеТ '~р где Р - сдвигающее усилие, кГ;

F - площадь клеевого соединения, см².

В ИГД им.А.А.Скочинского испытания образцов на разрыв производились на разрывной машине типа FM - 250.Образцы глинистого сланца склеивались раствором мочевиноформальдегидной смолы fto-17. Данные испытаний приведены в табл. 2.    Таблица 2

Состав раствора, %			Прочность на разрыв бр , кГ/см~	Прочность на сдвиг Т , кГ/см2
с.л а	вода	отвердитель
70	30	1.0	7.3	-
70	30	2,0	7.1	_
70	30	2,5	6,8	-
75	25	1.0	8,7	10,6
75	25	1.5	8,3	10,1
75	25	2,0	8,0	5,8
80	20	1.0	11,0	_
80	20	1.5	10,5	-
80	20	2.0	10.0	-

1У. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ В ПОДЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ

Оборудование для внедрения и извлечения инъекторов

Погружение иньекторов в сьшучие породы и их извлечение производятся гидродомкратом, установленным на каретке, которая монет перемещаться вдоль забоя.

На каретке монтируется также механизм разбуривания,состоящий из направляющей рамы, угломера, перфоратора (или электросверла) и ручной лебедки грузоподъемностью 0,5 т, которая предназначена для создания осевого усилия на забой при бурении.

Оборудование для приготовления и нагнетания химических растворов

Оборудование для приготовления и нагнетания химических растворов устанавливается на передвижных платформах а состоит из следующих основных агрегатов и узлов; бака для смолы емкостью I м³; бака для кислоты емкостью I м³; смесителя непрерывного действия; насоса-дозатора ЦЦ-400/16; насоса-дозатора НД-2500/10; центрооежного насоса 2хМ-6П~2; транспортных баков для смолы и кислоты; шлангов и запорной арматуры; распределительной колонки; инъектора с промежуточными штангами.

При нагнетании химических растворов для укрепления трещиноватых пород неооходимо применение высоконапорного насоса, развивающего давление оолее 2U0 кГ/см².

В качестве такого оборудования может служить насосная установка типа XTF, НВУ-ЗОМ, НВП, НЮ или УКВ-2.

15

УДК 622.267.1

В инструкции изложены технологические схемы ж порядок ведения работ по укрепление сыпучих и тонкотрещжноватых пород растворами синтетических смол; приводится описание и технические данные комплекса оборудования для нагнетания химических растворов.

Временная инструкция по укрепление горных пород химж-чесиими растворами предназначена для работников горных предприятий и монет служить руководством при проведении работ по химическому укрепление пород на единой методической и технической основе.

Инструкция составлена инженерами D. И. Белоусовым, В. К. Караковым, канд.техн.ваук Н.А. Гнжлорибовым ж канд. теха.наук В.В.Давыдовым на основе исследований, выполненных в ИГД им. А. А.С кочане кого согласно плану иаучно-жссле-* довательских работ аа 1973 г. по теме 6 012706 под руководством канд.техн.ваук В .В Давыдова.

© Институт горного дела им. А. А. Скочинского (ИГД им. А. А. Скочинского), 1974.

ВБЕдБНЙК

Большое внимание в нашей стране уделяется раоотам по создашь условий, спосооствуюших повышению производительности. труда и снижению производственного травматизма на горных предприятиях.

Наряду с усовершенствованием систем к способов разргоотки, внедрением более производительных машин и механизмов, полной механизацией и автоматизацией горпохч) ироиззодства совершенствуются средства и способы креплеьтд и поддержания горных выработок, о также все шире применяются механические и физико-хшкческке способы укрепления неустойчивых л сильно нарушенных пород, осооо важное значение эти работы приобретают при разработке месторождений в неблагоприятных горно- п гидрогеологических условиях.

Мелкоамплитудные тектонические нарушения, не установленные разведочными скважинами, осложняют ведение очистных и подготовительных работ. Разрывные нарушения с амплитудой, превышавшей общую мощность разрабатываемого пласта, вызывают необходимость проведения дополнительных горных выработок по оконтуриванию нарушенной зоны, о результате чего сокращаются размеры выемочных участков, услоянлется ведение горных раоот. Разрывные нарушения с амплитудой, не превышающей мощности разрабатываемых пластов в пределах выемочного участка, осложняют управление кровлей, затрудняют механизацию очистных работ, снижают безопасность труда и качество добываемого угля из-за засорения его породой.

Как правило,в местах геологических нарушений кровля угольных пластов неустойчива и часто обрешается одновременно с выемкой полезного ископаемого. Обрушение щюисходит и в местах появления ложной кровли, что существенно сникает экономические показатели работы очистных забоев.

3

Эффективных способов удержания пород легкообрушащихся кровель до настоящего времени не существует, что приводит к значительным простоям действующих очистных забоев и потерям подготовленных к выемке запасов полезных ископаемых.

Проведение подготовительных выработок в оыпучих и трещиноватых обводненных породах до настоящего времени представляет известные трудности. Существующие методы проходки в подобных случаях предусматривают замораживание или цементацию. Однако эти способы имеют существенные недостатки, ограничивающие их применение.

Использование выпускаемых отечественной химической промышленностью синтетических смол, обладающих хорошими клеящими и водоустойчивыми свойствами, позволило создать способ укрепления мелкозернистых и тонкотрещиноватых пород химическими растворами.

Укрепление пород растворами синтетических смол основано на их способности отверждаться при добавлении специальных отвердите лей. Отверждаясь в порах и трещинах горных пород, растворы синтетических смол образуют прочные и водонепроницаемые соединения, которые связывают сыпучие и сильно нарушенные породы в плотный монолитный массив.

Повышенная проницаемость химических растворов дает возможность применять этот способ там, где цементация оказывается неэффективной из-за ограниченной проникающей способности цементного раствора, что наблюдается при укреплении сыпучих и тонкотрещиноватых пород. Кроме того, цементация не оправдывает себя в агрессивных средах, где применение химических растворов дает положительные результаты.

Опыты по укреплению легкообрушапцихся кровель угольных пластов химическими растворами, проведенные в СССР и за рубежом, показали, что химический способ в настоящее время является наиболее эффективным. Поэтому его применение при отработке пластов на участках с ложной кровлей, а также при переходе лавами зон геологических нарушений без демонтажа оборудования является одним из возможных решений вопроса о повышении устойчивости кровли. Использование химического способа укрепления пород позволит улучшить технико-экономические показатели работы очистных забоев, а также производить выемку запасов в неблагоприятных геологических условиях.

4

Способ химического укрепления пород может быть применен для выполнения следующих работ:

укрепления неустойчивых пород кровли в очистных забоях; укрепления неустойчивых пород кровли в монтажных и демонтажных камерах при монтаже и демонтаже комплексов;

укрепления неустойчивых пород кровли в очистных забоях при переходе ими зон геологических нарушений;

укрепления неустойчивых пород в подготовительных выработках; предотвращения водопритоков при проходке горных выработок в сыпучих и тонкотрещиноватых обводненных породах;

тампонажа закрепного пространства при ремонте шахтных стволов, тоннелей и других выработок; укрепления охранных целиков.

I. ТЕХНОЛОГИЯ РАБОТ

Технологические схемы

Технологический процесс укрепления горных пород химическим способом определяется прежде всего геологическими и гидрогеологическими условиями, характеризующими тот или иной участок шахтного поля (горной выработки), уровнем подъемных вод, проницаемостью среды, скоростью фильтрации водяного потока и рц среды.

С учетом этого должны быть установлены: схема ведения работ; состав химического раствора; способ укрепления пород; параметры нагнетания раствора;

контроль за режимом работ и качеством укрепления массива.

В зависимости от горногеологических условий и с учетом технико-экономических факторов выбирается одна из следующих схем ведения работ: из забоя выработки,с поверхности, комбинированная.

Для каждой схемы ведения работ характерны следующие основные технологические процессы:

бурение инъекционных скважин; внедрение и извлечение инъекторов;

монтаж и демонтаж технологического оборудования, трубопроводов, :• шорной арматуры и приборов;

приготовление раствора;

нагнетание раствора;

контроль за параметрами нагнетания и качеством укрепления массива;

подготовительно-заключительные операции.

Укрепление пород в горных выработках

Насыщение массива раствором мохет осуществляться через скважины:

располагаемые по оси подготовительной выработки или в окрестности ее контура;

пробурешше параллельно линии очистного забоя с откаточного или вентиляционного штрека;

пробуренные с полевого штрека или вышележащего горизонта,

а также через короткие и глубокие шпуры, пробуренные перпендикулярно плоскости очистного забоя.

Нагнетанием раствора через короткие и глубокие шпуры непосредственно из лавы предусматривается локальное укрепление легко-обрушаемых пород. Оборудование в этом случае располагается в откаточном или вентиляциошюм штреке.

Для укрепления пород из штрека насыщение массива производится через длинные скважины, пробуриваемые параллельно линии очистного забоя. В этом случае укрепление может быть произведено до подхода очистных работ.

Укрепление пород в забоях подготовительных выработок может производиться при щитовом и буровзрывном способах проведения горных выработок.

Химическое укрепление пород при щитовом способе проходки осуществляется с помощью технологического оборудования, смонтированного непосредственно на щите и передвижной платформе, а та ;же со щита при помощи специальных подвижных кареток, смонтированных на съемных металлоконструкциях, с которых производится бурение скважин, внедрение и извлечение инъекторов.

Укрепление слабоустойчивых пород при буровзрывном способе проведения горных выработок предусматривает применение комплекса оборудования, расположенного на передвижных платформах. Бурение инъекционных скважин и внедрение инъекторов осуществляется при помощи буровых установок и гидродорл]фата, установленных на специально/ КОЛОШ'»;, г;

П. ХШИЧБСКИЗ РАСТВОРЫ

Требования к растворам смол. применяемым для химического укрепления горных пород

Растворы смол, применяемые для химического укрепления горных пород, должны удовлетворять следующим требованиям:

легко проникать в поры или трещины;

иметь вязкость, позволяющую производить нагнетание раствора под определенным давлением в течение определенного времени; затвердевать в определенный промежуток времени; повышать прочность и водонепроницаемость горной породы; иметь малую усадку после отверждения.

Выбор растворов

При выборе растворов для химического укрепления горных пород следует учитывать:

характер пористости и трещиноватости пород;

минералогический и гранулометрический состав пород;

коэффициент проницаемости пород;

данные о дебите и напоре вод на различных горизонтах;

химические анализы подземных вод;

показатель реакции среды pH ;

токсичность смолы и ее стоимость.

Проверка правильности выбранного раствора производится лабораторным путем или по графикам, составленным на основании предварительно проведенного определения свойств раствора.

Периодически отбираются пробы из каждой партии смелы и от-вердителя, поступающих к месту работ, для определения сроков схватывания раствора и механической прочности отвержденных образцов.

Результаты определения свойств растворов записываются в журнале (приложение I),

7

Оборудование для контроля качества смолы и растворов

Для контроля качества химических растворов в производственных условиях на каждой шахте должна быть организована лаборатория, в которой должно содержаться следующее оборудование:

технические весы, шт.    I

разновески к техническим весам, комплект    I

вискозиметр, шт,    I

ареометр, шт.    2

прибор ШКа, шт.    I

прибор для определения реакции среда (pH -метр), шт. I формочки для образцов 2x2x2 см, шт.    12

формочки для образцов (D - 25 мм, h = 40 мм), шт. 12 пресс на нагрузку 2-3 т, шт.    I

секундомер, шт.    I

чашки фарфоровые, шт.    2

кружки фарфороше емкостью I л, шт.    2

кружки фарфоровые емкостью 250 см³, шт.    4

ступка фарфоровая диаметром 10 см, шт.    2

цилиндры, градуированные на 100 см, шт,    6

цилиндры, градуированные на 250 см³, шт.    4

колбы емкостью 500 см³, шт.    4

воронки стеклянные, шт.    2

пробирки, шт.    20

Определение свойств применяемых материалов и растворов

До начала работ должны быть проведены лабораторное определение свойств применяемых материалов и подбор составов раствора, а также предварительные испытания образцов укрепленных пород. На основании результатов определения устанавливаются необходимые соотношения компонентов для получения требуемых свойств раствора и укрепленной порода.

Свойства материалов и растворов определяются следующим образом.

Удельный вес смолы или раствора определяется с помощью ареометра.

8

Способность химических растворов проникать в трешины или поры зависит от их вязкости; уменьшение концентрации смолы в растворе дает возможность снизить его вязкость, например, при разбавлении водой мо«евиноформальдегидных и фенолформальдегидных смол вязкость их значительно уменьшается, благодаря чему обеспечивается хорошее проникание раствора в мелкозернистые и тонкотрещиноватые породы.

Вязкость смол или растворов определяется при помощи вискозиметров (условная вязкость воды по ВЗ-4 - II сек).

Реакция среды (смолы, раствора, воды, водной вытяжки породы и др.) определяется концентрацией свободных ионов водорода, находящихся в среде.

По концентрации водородных ионов pH рабочая среда классифицируется следующим образом:

при показателе pH * 7 среда кислая;

при pH-7- нейтральная;

при pH>7- щелочная.

Определение pH производится с помощью специальных приборол pH -метров типа ЛП-5, Я1У-01 и др.

Реакция среды с точностью до + 0,5 ед. pH может также определяться с помощью универсальной индикаторной бумаги ::о ТУ ... .i ОРУ 76-58.

Прозрачность воды, которая будет применяться ;:ля прито-товлеяия раствора, определяются визуально.

Соответствие отвердителя 1У проверяется только в отношении чистоты продукта (визуально).

При подборе времени гелеобразевания раствора необход. • учитывать температуру массива.кроме основного, для работы дел-быть подобран еще ряд составов с различными сроками гелеобразо-вания (большими и меньшими основного).

Время отверждения раствора при неизменной температуре зависит от количества отвердителя и его реакционной способности. Г.:»;* применении отвердителей с различно:    реакционной    способность*

время отверждения может изменяться в широких пределах.

Улучшение отдельных свойств растворов смол может быть г. >-с гнгуто введением сае.шальных добавок ил;* путем моди: ..наци.» п ^:-Tvot), оспоззн 'ой на ссполимериза:: ^овм» .е:шп •    у

U/j:оз ПОЛ/. • 1:! !л OUCJC.НСНЛЙ.