Укрепление горных пород

УПРАВЛЕНИЕ СВОЙСТВАМИ И СОСТОЯНИЕМ ГОРНЫХ ПОРОД

Работы в этом направлении проводятся для увеличения несущей спо­собности горных пород и улучшения условий работы крепи, а также при разработке месторождений в сложных гидрогеологических условиях. К основным способам укрепления пород можно отнести следующие.

Тампонаж горных пород заключается в нагнетании через скважины в закрепляемый массив тампонажного раствора, который заполняет пусто­ты и трещины, затвердевает, тем самым делая массив более монолитным и менее водопроницаемым. В качестве тампонажного раствора может ис­пользоваться цемент, глина или битум. В соответствии с этим различают цементацию, глинизацию и битумизацию. Тампонаж возможен в тех слу­чаях, когда массив имеет раскрытые (зияющие) трещины.

Силикатизация песчаных массивов осуществляется, как правило, в два этапа. Вначале в массив через скважины нагнетается жидкое стекло (коллоидный раствор силиката натрия), которое, вытесняя имеющуюся в песке воду, образует вокруг частиц песка тонкие пленки. Затем осуществ­ляется нагнетание раствора хлористого кальция, который, вступая в хими­ческую реакцию с жидким стеклом и водой, превращается в гель кремние­вой кислоты (кремнегель). Образующийся кремнегель связывает песчаные зерна в плотный, монолитный и водонепроницаемый массив.

Интересно, что способ силикатизации в принципе аналогичен при­родным процессам образования песчаников из песка. Известно, что вода содержит различные соли, которые при фильтрации ее через песок выпа­дают в осадок (кремнегель, углекислый кальций и др.), цементирующий отдельные песчинки в сплошную массу. Таким образом, искусственная силикатизация как бы форсирует процесс литогенеза, меняя состав и строе­ние горного массива.

Укрепление горных пород синтетическими смолами основано на их способности под действием соответствующих кислых или щелочных коагулянтов (отвердителей) образовывать прочные и водонепроницаемые гелеобразные соединения, которые превращают сыпучие и сильно нару­шенные породы в сплошной и монолитный массив. В качестве укрепляю­щих составов используют различные виды эпоксидных и карбамидных смол, полимеры. Большинство синтетических смол способны отвердевать лишь при достаточно высоких температурах и давлениях, что является недостатком способа силикатизации.

Электрохимическое укрепление пород осуществляется путем про­пускания постоянного электрического тока через влажный массив. В ре­зультате в массиве происходят следующие взаимосвязанные физико-химические процессы:

- электроосмос, при котором перемещается от анода к катоду не только свободная, но и рыхлосвязанная вода, что приводит к осушению породы. Удаление же водных пленок на минеральных частицах приводит к увеличению сил сцепления между ними;

- электролиз, при котором происходит разложение воды на ионы, растворение природных солей, реакции обмена и замещения и т.п.;

- вторичные химические реакции, способствующие кристаллизации растворов.

В результате этих процессов глинистая порода теряет 30-40 % влаги, что существенно увеличивает ее прочность. Кроме того, глина теряет спо­собность к последующему размоканию. Для повышения эффективности электрохимического укрепления в массив вводят различные химические добавки, способные вступать в реакции с молекулами воды или глины.

Замораживание горных пород применяется для значительно увлаж­ненных нарушенных массивов или переувлажненных песков (плывунов). В результате кристаллизации воды (ее замерзания) образуется ледопородный массив, резко увеличивающий свою несущую способность по сравнению с исходной породой.

Получение холода, т.е. поглощение тепла из окружающего массива, происходит за счет циркуляции охлажденного рассола (хладоносителя) по трубам, установленным в скважинах. В качестве хладоносителя использу­ют водные растворы солей (хлористого кальция или хлористого магния). В свою очередь, охлаждение рассола производится за счет испарения хлада­гента - чаще всего жидкого аммиака или фреонов. Замораживанию подвергаются или целые участки массива, или кольцевые области, образую­щие ледопородное ограждение вокруг сооружаемой горной выработки.

Кроме указанных методов, известны другие, не нашедшие широкого применения в горной практике способы укрепления пород: термическая обработка глинистых пород, электроплавление водоносных песков, укреп­ление пород взрывом и др.