Министерство угольной промышленности СССР

Научно-исследовательский институт строительства угольных и горно-рудных предприятий (Кузниишахтострой 1

РУКОВОДСТВО

ПО ТЕХНОЛОГИИ КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК С ПРИМЕНЕНИЕМ ОПАЛУБКИ ОМП. ОСНОВАННОЙ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ УПРОЧНЕННЫХ ПОРОД

РД 12.18 088-89

Кемерово 1990

Министерство угольной промышленности СССР

Научно-исследовательский институт строительства угольных и горно-рудных предприятий (Кузниишахтострой)

РУКОВОДСТВО

ПО ТЕХНОЛОГИИ КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК С ПРИМЕНЕНИЕМ ОПАЛУБКИ ОМП, ОСНОВАННОЙ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ УПРОЧНЕННЫХ ПОРОД

РД 12.18.088-89

Кемерово 1990

Рис. 1.4. Фильтрационная трубка:

1 - сливной патрубок; 2 - втулка; 3 - винт; 4-боковая перфорация; 5 — боковой фильтр; 6 - неподвижный сектор днища; 7 — подвижный сектор днища; 8- приводная рукоятка

Таблица 1.1

Количество цементационных шпуров

Площадь поперечного сечения выработки в свету, м^

до 10,0

10,0-13,2

13,2-16,9

16,9-20,3

1.2.6.    Диаметры цементационных скважин назначают в зависимости от глубины бурения и технической характеристики применяемого бурового оборудования и принимают, как правило, в пределах 30-60 мм. Для увеличения скорости и снижения стоимости бурения следует назначать малые диаметры скважин, так как скорость движения нагнетаемого раствора в них повышается, что уменьшает осаждение твердой фазы.

1.2.7.    Для обеспечения нормальных условий цементации трещин по длине скважины начальное давление нагнетания Р₀ принимают равным 0,1-0,3 МПа.

1.2.8.    Конечное давление нагнетания в зависимости от коэффициента трещиноватости т _Т » трещинной проницаемости к о и цементно-водного отношения раствора Ц : В принимают из условия обеспечения требуемого радиуса цементации R в наиболее тонких трещинах по номограмме, представленной на рис. 1.5 (номограмма построена для трещин с раскрытием 1 мм). S процессе производства работ конечное давление нагнетания принимают для концентрации раствора, закачиваемого в скважину в наибольшем количестве и обеспечивающего, в основном, предельный радиус цементации.

В процессе цементации фильтрационные характеристики, входящие в номограмму, изменяются вследствие воздействия на породный массив раствора, закачанного через предыдущие скважины.

Рис. 1.5. Номограмма для определения конечного давления нагнетания на первой скважине

Учитывая трудоемкость определения фильтрационных характеристик, конечное давление нагнетания Р_± определяют по номограмме только для одной скважины, а для всех последующих в зависимости от изменения удельного водопоглощения горного массива - по графикам, представленным на рис. 1.6.

Рис. 1.6. График зависимости изменения конечного давления нагнетания от изменения удельного водопо— глощения на последующих скважинах: 1- Ц:В = 1:1;    2-Ц-.В = 1:0,5

При принятой организации работ по нагнетанию цементационного раствора с использованием принципа постепенного сближения цементируемых скважин увеличение радиуса цементации в трещинах с раскрытием более 1 мм учитывается изменением проницаемости (удельного водопоглощения) цементируемого массива при назначении конечного давления нагнетания на последующих скважинах (рис. 1.6).

При значительном удалении насосной установки от цементируемых скважин и определении давления нагнетания по манометру, установленному на насосе, следует учитывать сопротивление растворопроводов.

1.2.9. Коэффициент трещиноватости т_т определяют по линейному или объемному выходу керна при контрольном бурении скважин, а коэффициент трещинной проницаемости    к₀    -    по    формуле

ко= 0.045 W¹² • m_r²ⁱ • S²,    (1.3)

где У - раскрытие трещин, принимаемое согласно п. 1.2.8 равным 0,001 м.

Удельные водопоглощения на первой скважине и последующих определяют в процессе производства работ путем гидравлического опробования упрочняемого горного массива и рассчитывают по формуле

CU

¹ “ L • Pi ⁹

где    Qg-    расход воды при установившемся течении,

л/мин;

L - длина опробуемого участка скважины, м;

Pg - давление нагнетания воды, м вод. ст.

1.2.10. Концентрацию цементационных растворов назначают в зависимости от гидродинамических характеристик упрочняемого горного массива, характеризуемого удельным водопоглощением, согласно данным табл. 1.2.

Таблица 1.2

Начальная концентрация цементационного раствора

Удельное водопоглощение пород Начальная концентрация до цементации, л/мин-м-м вод.ст. цементационного раствора Uo : Во

0,01-0,1 0,1-0,5 0,5-1,0

Удельное водопоглощение пород    Начальная концентрация

до цементации, л/мин-м-м вод.ст.    цементеционного раст

вора Цо: Во

1,0-2,0 2,0-4,0 > 4,0

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВОЗВЕДЕНИЯ КРЕПИ ИЗ УПРОЧНЕННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Технологию крепления горных выработок с применением опалубки ОМП, основанную на использовании несущей способности упрочненных горных пород, следует рассматривать как два самостоятельных технологических процесса -создание облицовочно—несущей оболочки в заопалубочном пространстве и возведение грузонесущей конструкции крепи из оболочки упрочненных горных пород (рис. 2.1). По технологии крепь возводится непосредственно в забое и после набора прочности твердеющего материала работает в жестком режиме. В зависимости от горно-проходческих условий проходки горных выработок второй этап возведения крепи может быть выполнен со значительным отставанием от забоя.

Организация работ по проходке и креплению горной выработки построена так, что за цикл выработка подвигается на 2-3 м. В 1986 и 1989 гг. были проведены наблюдения за процессами проходческого цикла при проходке горных выработок на экспериментальных участках на шахтах "Киселевская" п/о "Киселевскуголь" и "Березовская" п/о "Северокузбассуголь". На основании полученных данных были определены пооперационные затраты труда. На рисунках 2.2 и 2.3 приведены графики организации работ. Как видно из графиков, продолжительность проходческого цикла при подвигании забоя выработки на 2 м и составе бригады из 4-5 человек составляет 2-3 смены, средние темпы проходки выработок при этом колеблются в пределах 65-100 м/мес.

1-опалубка ОМП; 2-облицовочно-несущая оболочка; 3-цементационная скважина; 4-зона упрочненных горных пород; 5-цементационный комплекс

Наименование операций	Объем ИА цикл		К-ьо ПРО-	Время по ГРАФ		С МЕНЫ
						i 1 Я 1 ЕГ
	&	К-М	ход- ЧИК06			ЧАСЫ
						6	9 1	и	12	13	4 15	16	18	(9	20	21	*8	23	24	1
Прием-сдача смены			5	0	10
Бурение шпуров	м	158	5	5	00
Взрывные работы			5	1	10
Погрузка породы	и*	42	5	5	10
Возведение крепи			2-5	7	50
Перестановка опалубки	шт.	2	5	2	00	■	-ч
Проверка направления			2	0	10		1
Заделка торца опалубки			2	2	00
Приготовление и нагнетание цементно-песчаного раствора		3	г	2	10
Бурение цементационных скважин	м	16,8	3	0	40		.
Приготовление и нагнетание цементационных растворов	м*	2,2	г	1	30
Укладка временного пути	м	4	3	1	00
Наращивание труб	м	4	3	0	40
Устройство канавки и фундамента	м	2	2	1	40
Бурение контрольных скважин	м	г	3	0	10
Неучтенные работы			5	1	20

Рис. 2.2. Организация работ при возведении крепи из упрочненных пород в выработке

сечением 3 " 11 м² ш.'Киселевская'

Наименование операций	Объем НА цикл		К'М ПРО- ход кий*	6Р£М* I		СМЕНЫ
				ГР1 ч	ю <р.	_ 1"" Г " д j д
	U к! и	К-во			мин	ЧАСЫ												1
						£	9 Ю 1	12 13	14		j6	17	16	19	20	212	2 23	24	1
Прием-сдача смены				0	ИГ
Бурение шпуров	м	2.25	3	3	30			■	■	■
Взрывные работы			6	1	50							1
Погрузка породы	и1	73	6	4	30											__
														ЕЕЯ
Возведение крепи			6-3	7	40	■
						■в		■ 1 1 ■
Перестановка опалубки	шг	2	6	НИ		г	■ 1
Проверка направления			3	0	10		||
Заделка торца опалубки			3	2	00		Li	■
Приготовление и нагнетание цементно-песчаного раствора	м5	4.5	3-2	2	50			■		■
Бурение цементационных скважин	м	34	3	1	10		L
Приготовление и нагнетание цементационных растворов	м5	2,2	3	1	40
Укладка временного пути	м	4	3	1	30
Наращивание труб	м	4	3	0	30												.
Устройство канавки и фундамента	м	2	3	1	00												_ ■
Бурение контрольных скважин	м	10	3	1	00													_
Неучтенные работы			3-6	2_	00	тт				_	_	_	_		_	J.	■1м	_	-

Рис. 2.3. Организация работ при возведении крепи из упрочненных пород в выработке

сечением S *19 м^ ш.'Березовская'

Трудозатраты на 1 м выработки составляют 7,5-8 чел.-смен. Производительность труда проходчиков составляет 1,44-2,0 м³/чел.-смен.

Учитывая, что настоящее 'Руководство ... ⁹ распространяется только на процесс возведения постоянной крепи, другие процессы и операции проходческого цикла, а также техника, оборудование и приемы для их выполнения не рассматриваются.

3. ОБОРУДОбАНИЕ ДЛЯ ВОЗВЕДЕНИЯ КРЕПИ ИЗ УПРОЧНЕННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

При возведении крепи используется следующее основное оборудование:

передвижная (переставная) механизированная металлическая опалубка;

оборудование для бурения цементационных скважин; набор (комплект) оборудования для приготовления и нагнетания сложных (цементно-песчаных, цементно-зольных и др.) растворов для заполнения эаопалубочного пространства и цементных растворов для упрочнения окружающих выработку трещиноватых горных пород;

транспортные средства для подачи к месту выполнения работ материалов (цемент, инертные и активные наполнители и др.);

наборы приборов и аппаратуры для исследования физико-механических свойств горных пород до и после их упрочнения, а также для определения необходимых свойств, нагнетаемых растворов.

3.1. Опалубки

Требованиям, предъявляемым к опалубкам разработанной технологией возведения крепи горных выработок, в наибольшей степени отвечает опалубка ОМП конструкции Кузниишахтостроя (табл. 3.1). Передвижная опалубка ОМП предназначена для механизации опалубочных работ при возведении монолитной бетонной крепи или облицовочно-несущей оболочки крепи в горизонтальных и наклонных (0°-18°) горных выработках сечением в свету 5,0-25,0 м^.

Руководство по технологии крепления горных выработок с применением опалубки ОМП, основанной на использовании несущей способности упрочненных пород /    Куз-

ниишахтострой. - Кемерово, 1990. - С. 78.

Руководство содержит основные сведения по определению конструктивных и технологических параметров технологии крепления горных выработок с применением опалубки ОМП, основанной на использовании несущей способности упрочненных пород. Предназначено для проектных и производственных организаций, осуществляющих проектирование и строительство капитальных горных выработок.

Руководство разработано в Кузниишахтострое с учетом замечаний и предложений институтов "Кузбассгипрошахт* , 'Карагандагипрошахт*, Кузбасского политехнического, комбината 'Кузбассшахтострой*. п/о "Северокузбассуголь*.

В работе принимали участие: от института 'Кузниишахтострой* - кандидаты технических наук Бурков Ю.В., Дуда Е.Г. , Комаров Г.И., инженеры Добржинская Н.И., Жеребцов В.А., Панасенко Л.П., Гулина М.И., Игошин С.Г., Исаков В.Ф., Олендер Г.Я., Фирсов С. А.;

от МГИ - д.т.н. Попов В.Л., к.т.н. Бачурин С.А., инж. Пи-левский П.А.;

от ИУ СО АН СССР - кандидаты технических наук Некрасов Э.М., Колмаков В.В., инж. Решетник В.Ф.;

от КузПИ - кандидаты технических наук Хямяляйнен В.А., Простое С.М.;

от комбината 'Кузбассшахтострой* - инж. Сыркин П.С.

В руководстве использованы результаты научно-исследовательских работ, выполненных Кузниишахтостроем в 1982-89 гг.

С J Научно-исследовательский институт

.__' строительства угольных и горно-рудных

предприятий. Кемерово, 1990

Таблица 3.1

Техническая характеристика опалубки ОМП

Наименование параметров Ед.изм. Значения

Количество секций шт. 5-20 Габаритные размеры секции длина (без упоров) мм 1000 ширина 2300-7500 высота 2560-4500 Масса секции кг 500-1800 Зид энергии сжатый воздух Тяговое усилие лебедки Н 24520 Скорость перемещения механизма перестановки м/с 0,233 Габаритные размеры механизма перестановки мм длина (без пульта управления) 3450 ширина 1000 высота (площадка вверху) 816 Масса механизма перестановки кг 1300

Опалубка по длине выработки набирается из отдельных секций, монтируемых в единую конструкцию (рис. 3.1). Необходимое количество секций в комплекте опалубки определяется горно-геологическими условиями, технологией проходки выработки и свойствами нагнетаемых растворов.

Конструктивные габариты опалубки обеспечивают минимальное уменьшение рабочего пространства выработки и не препятствуют нормальному выполнению смежных с креплением технологических процессов и операций. Масса и габариты монтажных элементов опалубки рассчитаны из условия нормального транспортирования шахтовыми средствами, основным из которых является механизм перестановки (рис. 3.2). Секции опалубки могут переставляться при помощи специальных приспособлений, устанавливаемых на погрузочных машинах (рис. 3.3).

ВВЕДЕНИЕ

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на период до 2000 года предусмотрено в 1990 г. довести добычу угля до 780-800 млн т в год. При этом основной прирост подземной добычи угля будет осуществлен за счет реконструкции действующих шахт. Следовательно, горные работы будут осуществляться на больших глубинах, где горно-геологические условия, в которых сооружаются капитальные горные выработки, постоянно усложняются. В таких условиях снижаются темпы проходки горных выработок, возрастают нагрузки на крепь, что ведет к усложнению их конструкций и значительному увеличению материалоемкости и трудоемкости возведения и поддержания. Возведение сложных конструкций крепи вслед за подвигани— ем забоев не позволяет применять высокопроизводительную горно-проходческую технику. В то же время возведение постоянной крепи с отставанием от забоев выработок чаще всего приводит к значительному удорожанию общей стоимости.

Одним из способов, обеспечивающих значительное увеличение несущей способности существующих крепей, является заполнение закрепного пространства и упрочнение породных массивов твердеющими смесями. Современными достижениями в области механики горных пород и опыта поддержания выработок в сложных горно-геологических условиях на шахтах Донецкого, Кузнецкого и Карагандинского угольных бассейнов убедительно доказано, что путем тампонажа зак репного пространства и последующего упрочнения горных пород можно создать комбинированную грузонесущую конструкцию, отвечающую горно-геологическим условиям. Возведение таких конструкций крепи, как правило, осуществляется с большим отставанием по времени от проходки горных выработок, что не позволяет реализовать основные преимущества идеи упрочнения горных пород - значительное снижение стоимости и трудоемкости крепления и поддержания горных выработок.

Технология проходки горных выработок с одновременным возведением крепи из упрочненного породного массива до настоящего времени не нашла применения в связи с от-

сутствием нормативной и технологической документации, а также высокопроизводительных средств механизации для возведения такой крепи. Поэтому обоснование области применения, конструктивных и технологических параметров крепей, использующих несущую способность упрочненных породных массивов, разработка технологической документации проведения выработок с возведением крепи из упрочненного породного массива, разработка средств механизации возведения таких крепей и контроля качества их возведения являются актуальными, имеющими важное народнохозяйственное значение.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ

И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ

ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ НЕСУЩУЮ

СПОСОБНОСТЬ УПРОЧНЕННЫХ ПОРОД

1.1.    Определение основных конструктивных параметров крепи

1.1.1.    В качестве критерия, определяющего формы проявления горного давления в различных горно-геологических условиях, принят коэффициент устойчивости п , определяемый согласно работе [1]. Упрочнение породных массивов целесообразно осуществлять при значениях коэффициента устойчивости /7 4 0,5.

1.1.2.    Для различных горно-геологических и горно-технических условий коэффициент устойчивости п и толщина зоны упрочнения Т определяются в автоматизированном режиме по программе MKPQV [ 2J . Программа реализует обобщенную расчетную схему контактного взаимодействия вмещающего породного массива и оболочек из упрочненных пород произвольной конфигурации, создаваемой вокруг горизонтальной горной выработки некругового очертания.

1.1.3.    Для типовых сечений горных выработок с коробовым сводом толщина зоны упрочнения Г определяется по приведенной ниже методике, составленной на основе многовариантного численного Моделирования на ЕС ЭВМ с использованием указанной программы.

1.1.4.    В условиях возможного влияния соседних выра

боток или очистных работ толщина зоны упрочнения принимается постоянной по периметру поперечного сечения выработки. При отсутствии пучения пород почвы    уп

рочнение следует производить только в боках и кровле выработки.

1.1.5.    Относительная толщина зоны упрочнения определяется по графику, изображенному на рис. 1.1.

0.1    0.2    0.3    0.4    0.5    /7 Рис. 1.1. График для определения относительных размеров зоны упрочнения пород постоянной толщины: 1 - t - 1,4* 2 - t = 1,2; 3 - t = 1,0; 4 - t = 0,8; 5 - / = 0,6; 6 - t = 0,4; 7 - f = 0,3; 8 - t = 0,2

Толщину зоны упрочнения определяют в следующей последовательности:

вычисляется коэффициент устойчивости п ; находится коэффициент структурного ослабления ; из соответствующей точки на оси абсцисс восстанав—

ливается перпендикуляр до его пересечения с перпендикуляром к вертикальной оси, проведенным из точки с заданной ординатой;

величина относительной толщины зоны упрочнения t находится интерполяцией интервала ее значений, соответствующих кривым, расположенным выше и ниже точки пересечения перпендикуляров;

по определенной таким образом величине относительной толщины зоны упрочнения t по формуле 1.1 рассчитывается реальная толщина этой зоны Т .

T = t • 0,63 /1^ ,    (1.1)

где Sc₀ - площадь поперечного сечения выработки в свету, м^.

В случае, если точка пересечения перпендикуляров находится ниже семейства кривых, приведенных на рис. 1.1, производить упрочнение пород нецелесообразно. При расположении этой точки выше указанных кривых устойчивость выработки может быть обеспечена только в сочетании с другими видами крепи.

1.1.6.    При отсутствии влияния соседних выработок и очистных работ с целью экономии инъекционных растворов целесообразно изменять конфигурацию зоны упрочнения и создавать ее толщину переменной по периметру поперечного сочения выработки.

1.1.7.    В середине свода выработки зона упрочненных пород должна иметь минимальную толщину Т_с , а в боках на уровне почвы - максимальную Тд .

1.1.8.    Величины толщин в своде Т_с и боках Тд выработки определяются путем умножения предварительно рассчитанного по формуле (1.1) значения постоянной по периметру поперечного сечения выработки толщины зоны упрочнения 7 на соответствующие корректирующие коэффициенты л с и а д . Значение корректирующего коэффициента для свода выработки л_с определяется по графику, изображенному на рис. 1.2 а, а для боков а.д - по графику, изображенному на рис. 1.2 6.

1.1.9.    В промежуточных точках контура поперечного

1.1.10. При создании зоны упрочнения переменной по периметру поперечного сечения выработки толщины расход инъекционного раствора снижается в <х_$ раз. Значение коэффициента    определяется    по графику, изображенно

му на рис. 1.3.

1.2. Основные технологические параметры крепи

1.2.1. Облицовочно-несущая оболочка крепи предназначена для формования внутреннего контура горной выработки и предотвращения воздействия рудничной атмосферы на породный массив. Она создается путем нагнетания в заопа-лубочное пространство цементно-песчаного или

зольного растворов и должна иметь минимальную толщину. Учитывая неизбежные технологические неровности породного контура при проходке выработок, расход раствора для создания оболочки определяется по формуле

V₀ = 0,1-Р С ,    (1.2)

где Р - периметр выработки в свету по стенам и своду, м;

0,1 - средняя толщина облицовочно-несущей оболочки, м;

€ - протяженность участка выработки, м.

Давление нагнетания указанных растворов не превыше— ет ОД МПа. Для увеличения плотности и прочности создаваемой оболочки за счет выпуска излишней жидкой фазы из нагнетаемого раствора последний подают за опалубку через фильтрационные трубки (рис. 1.4).

1.2.2.    Несущая оболочка из упрочненных пород создается вслед за подвиганием забоя путем нагнетания скрепляющих растворов в шпуры, пробуренные через отверстия в секциях опалубки, установленной в предыдущем цикле. При проходке выработки в породах устойчивых или средней устойчивости допускается создание оболочки из упрочненных пород после снятия опалубки.

1.2.3.    Длина цементационных шпуров принимается равной толщине зоны упрочнения (п.п. 1.1.5-1.1.8).

1.2.4.    Направление цементационным шпурам задается таким, чтобы их з^бои на внешней поверхности зоны упрочнения располагались в шахматном порядке на одинаковом расстоянии друг от друга.

1.2.5.    Количество цементационных шпуров на две секции принимают из расчета один шпур на 4—6 м^ внутренней поверхности крепи выработки. Для горных выработок поперечным сечением в свету до 20 м^ количество шпуров может быть принято по данным табл. 1.1. Для обеспечения равномерности расположения шпуров в каждой секции опалубки предусматривается устройство отверстий примерно через 1 м по периметру опалубки с приспособлениями для подсоединения нагнетательных шлангов.