способ проходки горных выработок

Формула изобретения

1. Способ проходки горных выработок, включающий бурение скважин, размещение в них источников колебаний, передачу колебаний в горный массив с частотой, равной частоте собственных колебаний горного массива, с одновременным нагнетанием в горный массив технологического раствора с ПАВ, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости горных выработок за счет перераспределения поля упругих напряжений, скважины бурят на удалении от забоя горной выработки, равном 3-5 длин волн основной излучаемой частоты, заполняют их упруго-вязким телом, а вибровоздействие источниками колебаний осуществляют в направлении действия максимального главного напряжения поэтапно сначала с частотой 60 150 Гц, а затем с частотой, равной частоте собственных колебаний горного массива, до достижения напряжения, равного 0,7-0,9 разрушающих напряжений в горном массиве, после чего производят взрывание зарядов ВВ в забое с последующим воздействием источниками колебаний с частотой, равной частоте собственных колебаний горного массива, с одновременным нагнетанием в горный массив технологического раствора с ПАВ до достижения напряжения, равного 0,5 разрушающего напряжения в горном массиве, затем, поддерживая колебания в массиве на достигнутом уровне, в горный массив нагнетают упрочняющую смолу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скважины с источниками колебаний заполняют упруговязким телом с акустической жесткостью, равной акустической жесткости горного массива.

Описание изобретения к патенту

Заявляемое изобретение относится к области горного дела и может быть использовано для разупрочнения горных пород при проходке горных выработок.

Известен способ проходки горных выработок, при котором бурят скважины в месте проходки, заряжают их ВВ, взрывают ВВ, убирают горную массу и производят крепление горных выработок /Технология разработки месторождений полезных ископаемых. М. том 13, 1975/.

Способ трудоемок, нетехнологичен, требует большого объема бурения шпуров и скважин и не учитывает структурные особенности горного массива и фактор горного давления.

Известен способ проходки горных выработок, включающий бурение скважин, размещение в них источников колебаний в горный массив с частотой, равной частоте собственных колебаний горного массива с одновременным нагнетанием в массив технологического раствора с поверхностно-активным веществом (а.с. 786647, Е 21 С 37/00, 1980; а.с. N 1157901 по заявке N 3447989/03, Е 21 С 37/00, 1982, н/п).

Способ трудоемок, нетехнологичен, не позволяет работать в выбранном диапазоне частот, обладает низким к.п.д. передачи энергии упругих колебаний в горный массив, не учитывает структурные особенности горного массива и фактор горного давления.

Цель изобретения повышение устойчивости горных выработок за счет перераспределения поля упругих напряжений.

Поставленная цель достигается тем, что скважины бурят на удалении от забоя горной выработки, равном 3-5 длин волн основной излучаемой частоты, заполняют их упруго-вязким телом, а вибровоздействие источниками колебаний осуществляют в направлении действия максимального главного напряжения поэтапно:

сначала с частотой от 60 до 150 Гц;

а затем с частотой, равной частоте собственных колебаний горного массива до достижения напряжения, равного 0,7-0,9 от разрушающих напряжений в горном массиве, после чего производят взрывание зарядов ВВ в забое, с последующим воздействием источниками колебаний с частотой, равной частоте собственных колебаний горного массива с одновременным нагнетанием в горный массив технологического раствора с ПАВ до достижения напряжения, равного 0,5 от разрушающих в горном массиве, затем, поддерживая колебания в массиве на достигнутом уровне, в горный массив нагнетают упрочняющую смолу.

Скважины с источником колебаний заполняют упруго-вязким телом с акустической жесткостью, равной акустической жесткости горного массива.

На фиг. 1 представлена схема реализации способа, где 1 горный массив; 2 горная выработка; 3, 4, 5 скважины 3 с размещенными в них невзрывными пневматическими источниками, 4 со встроенными в них тензодатчиками 5 для преобразования импульса сжатого воздуха в электрический сигнал для синхронизации работы группы источников; 5 и 6 компрессор высокого давления ЭУ-5 или ЭУ-7; 7 электронный блок управления (блок согласования); 8 - микропроцессорный блок; 9 модуль памяти; 10 пультовый терминал; 11- цифропечатающее устройство; 12 нагнетательные скважины.

Способ осуществляют следующим образом: в горном массиве 1 бурят скважины 3 и размещают в них невзрывные пневматические источники 4, определяют с помощью датчиков давления горных пород поле напряжений и главные векторы минимального и максимального главных напряжений, действующих в породном массиве 1, ориентируют оси источников 4 в направлении действия максимального напряжения, заполняют скважины 3 упруго-вязким телом, акустическая жесткость которого равна жесткости горного массива 1, в месте проходки горной выработки 2 бурят по контуру выработки скважины 12 и возбуждают в массиве колебания в диапазоне 60 150 Гц. Максимальный диаметр скважин 3 и их глубину для размещения в них источников 4 выбирают, исходя из оптимальных условий возбуждения сейсмических колебаний на частотах 60 150 Гц, при которых имеет место максимальная "закачка" упругой энергии в теле горной выработки и составляющая от 3 до 9% всей энергии, поступающей в источник 4 от компрессора 6 высокого давления от 60 до 300 атмосфер и более. Глубина размещения источников 4 в скважинах 3 оптимальна величине давления обеспечиваемого столбом материала из упруго-вязкого тела, которым заполняют скважину 3 после размещения в них виброисточников 4, причем в качестве материала для упруго-вязкого тела используют мокрый штыб, минеральные добавки, буровую мелочь вперемешку с водой. Скважины 3 размещают от забоя горной выработки 2 на удалении 3-5 длин волн основной частоты, излучаемой в массив 1. Исходя из условий волнового подобия, при скорости Р-волн в горном массиве равной 3000 м/с длины волн на частотах 60-150 Гц соответственно равны 20-50 м, что на удалении в 3-5 длин волн составляет от 60 до 150 м. Это вызвано тем, что на таких удалениях поле упругих напряжений излучаемое источником распределено равномерно, в то время как на удалениях равных или меньших длины волны оно равномерно. Время вибровоздействия время синхронной работы группы виброисточников для приведения горного массива в неудароопасное состояние, регулируемое посредством электронного пульта управления 7 и ИВК-информационно-вычислительного комплекса, в который входят микропроцессорный блок 8, модуль памяти 9, пультовый терминал 10 и цифропечатающее устройство 11. Это время зависит от обводненности горного массива и горного давления, обусловленного весом вышележащих пород.

При синхронной работе группы источников амплитуду их колебаний поднимают от минимального до максимального значения, определяемого уровнем достижения в породном массиве напряжений равных 0,8-0,9 от разрушающих, с таким условием, чтобы не вызвать динамических проявлений горного давления. Колебания вызывают в горном массиве относительную подвижку структурных элементов, перераспределение горного давления и уменьшение динамики горного давления. Эти явления имеют место как при работе одного источника, так и при работе группы источников.

Работу группы виброисточников до, во время и после вибровоздействия контролируют геомеханическими и геофизическими методами исследований: ультразвуковыми методами, методами разгрузки с использованием тензодатчиков или методами с использованием сейсмоакустической или электромагнитной эмиссии.

Воздействуя на массив мощными вибрационными нагрузками, измеряют его напряженно-деформированное состояние и при достижении в нем напряжений равных 0,8-0,9 от разрушающих, заряжают скважины 12 ВВ и взрывают породы в массиве. Затем вновь виброколебаниями с частотой, равной частоте собственных колебаний горного массива с одновременным нагнетанием в породы технологических растворов, ПАВ и других разупрочняющих растворов при достижении в массиве напряжений равных 0,5 от разрушающих, поддерживают их на достигнутом уровне и нагнетают в приконтурные породы скрепляющие растворы, что способствует повышению устойчивости горных выработок и увеличению срока их безремонтной службы.

По истечении необходимого времени источники выключают и переносят на новое место, предварительно пробурив для них скважины, или оставляют на старом месте, если сохраняется повторная возможность их использования для достижения положительного эффекта.

Таким образом, массив обрабатывается всеми видами сжимающих и растягивающих вибрационных нагрузок, что способствует снижению прочности пород, увеличению в них трещиноватости и гидро- и аэродинамических связей горного массива и более полному заполнению пор и трещин при инжектировании в них скрепляющих растворов.

Сущность изобретения состоит в том, что в цикле бурение взрывных скважин, приведение горного массива в неудароспособное состояние с последующим упрочнением кровли горной выработки с нагнетанием с помощью вибровоздействий в приконтурные горные породы смол и упрочняющих растворов под воздействием мощных вибрационных нагрузок в диапазоне 60-150 Гц. Под действием упругой волны в массиве возникают волны сжатия и растяжения, передающие знакопеременное давление

P=Po+ACcos(t-c/x)

где Ро геостатическое давление веса вышележащих пород;

2 амплитуда смешения в упругой волне; С скорость упругой волны;

плотность;

w=2П/P круговая частота;

x текущая координата; t время;

Pперм.=AC амплитуда знакопеременного давления в волне.

Эти волны вызывают миграцию флюидов-жидкостей и газов, содержащихся в порах и трещинах горных пород, и соответствуют их миграции во много раз быстрее, чем в отсутствие упругой волны. Кроме того, вибрации содействуют раскрытию пор и трещин, что в совокупности с нагнетанием в породы разупрочняющих растворов содействует снижению прочности горных пород и увеличению гидро- и аэродинамических связей горного массива и более полному заполнению пор и трещин при инжектировании в приконтурные породы скрепляющих растворов.

Преимущества способа состоят в следующем:

1. перераспределение поля упругих напряжений на пути мигрирующих флюидов;

2. свести к минимуму проявления динамики горного давления;

3. повысить устойчивость горных выработок и увеличить срок из безремонтной службы;

4. снизить затраты на проходку и крепление горных выработок;

5. создать оптимальные условия для возбуждения упругих колебаний в выбранном диапазоне частот при неизменных контактных условиях и закачки в горный массив упругую энергию в режиме накопления.

Использование заявляемого изобретения позволит значительно повысить эффективность проходки горных выработок, увеличить их устойчивость и срок безремонтной службы по сравнению с классическими способами проходки, не использующими разупрочнение пород с помощью вибровоздействий.

Ожидаемый экономический эффект составляет от внедрения заявляемого способа 27 т. руб в год.