УДК 622.02:624.138.4:624.138.24

Шахтные испытания нового способа упрочнения горного массива

Большинство шахт объединения Донецкуголь ведет добычу на глубоких горизонтах (1000 м и более). В результате активного проявления горного давления на таких глубинах значительно усложняются условия проведения, эксплуатации и поддержания выработок. Протяженность выработок, где площадь поперечного сечения не соответствует Правилам безопасности, постоянно возрастает, соответственно увеличиваются и объемы работ по ремонту и перекреплению, которые практически не механизированы, что сопровождается высокой степеньютравматизмаи и требует значительных материальных и трудовых затрат.

Вопросы снижения трудоемкости поддержания и ремонта горных выработок, стоимости работ и повышения их безопасности при дефиците материалов и оборудования весьма актуальны. Опыт проведения и поддержания выработокв сложных горно-геологических условиях Донбасса свидетельствует о том, что для обеспечения нормального экспуатационного состояния необходимонаряду с основным способом поддержания (креплением) применять специальные меры по повышению устойчивости. Главными факторами, определяющими поведение поведение горного массива вокруг выработки и, следовательно, влияющими на ее устойчивость, являются напряженное состояние и физико-механические свойства вмещающих пород. Влияя на количественные показатели этих двух факторов, можно в определенных пределах управлятьхарактером и величинами проявлений горного давления.

Анализируя опыт применения различных мероприятий по повышению устойчивости выработок в отечественной и зарубежной практике можно выделитьряд перспективных направлений решения данной проблемы. К ним относятся: рациональное (в геологическом плане) расположение выработок в горном массиве; направленное снижение напряженного состояния массива; разработка новых видов крепей; упрочнение пород вокруг выработки. Одним из способов повышения устойчивости выработок является увеличение прочностных характеристик вмещающих пород. Упрочнене их как способ охраны предполагает восстановление прочностных свойств разрушенных пород в зоне неупругих деформаций с тем, чтобы упрочненная зона могла воспринимать нагрузки со стороны массива [1].

Широкое распространение получил способ химического упрочнения пород, для реализации которого разработаны десятки химических составов с большим диапазоном физико-химических свойств и практически неограниченной областью применения. В Донбассе предпочтение отдается химическим растворам на основе синтетических смол. Многолетний опыт управления "Шахтоспецполимеркрепь", которое занимается инъекционным упрочнением породна территории Украины, показывает, что ставка именно на эти составы сделана правильно.

Для упрочнения пород через инъекторы в шпуры нагнетают скрепляющий состав из смолы или ее водного раствора и соответствующих отвердителей, который, увеличиваясь в объеме, вытесняет из пор и трещин воздух и воду, заполняет их. В результате массив разупрочнен-ных пород насыщается скрепляющим раствором. Большинство таких растворов, на основе синтетических смол может отвердевать в породе при повышенных температурах и давлениях, а также при наличии воды, что делает данный способ весьма перспективным для применения на глубоких шахтах и в сложных гидрогеологических условиях [2].

Анализируя многолетний опыт укрепления горного массива в Донбассе синтетическими смолами и проведя неоднократные натурные наблюдения, можно отметить ряд негативных моментов при инъекции скрепляющих составов по традиционной схеме нагнетания, значительно влияющих на эффективность работ. Так, в конвейерном квершлаге с пласта h₈ на пласт h₇ шахты "Донбасс" при нагнетании скрепляющего раствора в большинстве случаев значительное его количество (до 15-20%) истекало за контур выработки через через радиальные трещины. Это объясняется тем, что обрабатываемый массив в данном случае характеризуется малым коэффициентом проницаемости и по традиционной схеме упрочнить требуемую зону невозможно. За время наблюденийв 10% случаев после закачки 20-30кг состава стремительно падала производительность нагнетательной установки, что свидетельствовало о невозможности продолжения обработки массива, так как ближайшие к шпуру тещины и пустоты были заполнены, а продвижению раствора далее препятствовализакупориваемый в трещинах воздух и малая производительность нагнетательной установки. Применять же болеемощные установки нецелесообразно, поскольку при нагнетании часто (10-15% случаев за время наблюдений) происходил гидровзрыв в глубине обрабатываемого массива, который сопровождался треском, ударами и подвижкой отдельных кусков пород на контуре выработки. В таких условиях работы по нагнетанию в шпур проистанавливали и обработку производили через соседние шпуры.

Для повышения эффективности работ по упрочнению горного массива вокруг выработок и для предотвращения указанных недостатков традиционного способа нагнетания в Донецком национальном техническом университете разработан новый способ инъекции скрепляющих растворов с использованием эффекта вакуумирования. Сущность его заключается в том, что для повышения эффективности нагнетания скрепляющего раствора в массив производится отсос воздуха из трещиноватой зоны, подлежащей обработке, параллельно с работами по нагнетанию.

В окружающем выработку трещиноватом массиве 1 бурят шпуры шпуры с таким расчетом, чтобы одни шпуры 2 служили для инъекции скрепляющего раствора, а другие 3 - для отсоса воздуха (рис.1). Шпуры герметизируются одноразовыми герметизаторами 4 на определенном расстоянии от контура выработки. После завершения всех подготовительных работ производится нагнетание скрепляющего раствора инъекционные шпуры 2 и одновременно откачивается воздух из соседних шпуров 3.

Поскольку в предполагаемой технологии одновременно с нагнетанием из трещиноватых пород откачивается воздух, то снижается возможное количество закупоренного в трещинах воздуха. Это связано с тем, что при поступлении упрочняющего раствора к трещине, ограниченной фронтом разрушения (т.е. к такой трещине, в которой возможна закупорка воздуха), давление воздуха в ее полости и, следовательно, плотность меньше ровно на столько, сколько было его откачено. Таким образом, упрочняющий раствор при нагнетании его в породный массив занимает большую часть трещин, повышая при этом эффективность упрочнения. Немаловажным моментом является и то, что наряду с давлением, развиваемым нагнетательной установкой, в работу по перемещению скрепляющего раствора в трещиноватой среде включается вакууметрическое давление отсоса, создаваемое вакуумнасосом.

Область применения способа инъекционного упрочнения горных пород с использованием эффекта вакуумирования та же, что и для обычного способа нагнетания, а именно: в зонах сопряжений лав со штреками, где особенно велика нагрузка на кровлю; в лавах для укрепления обрушающихся пород непосредственной кровли; в зоне тектонических нарушений при ведении очистных работ в целях укрепления слоев, находящихся из-за наличия этих нарушений в напряженном состоянии. Область применения способа при вскрытиии и подготовительных работах распространяется на полевые выработки в трещиноватых породах, на поддержание выработок, их гидроизоляцию, на предотвращение вывалообразований при перекреплении выработок.

Для предотвращения теоретических предпосылок увеличения эффективности работ по упрочнению горного массива проведена опытно-промышленная проверка нового способа на шахте "Донбасс" в горизонтальном конвейерном квершлаге с пласта h₈ на пласт h₇ Комплект технических средств, применяемых для опытно-промышленной проверки, включая буровое оборудование, нагнетательную установку, вакуум-насос, высоконапорную магистраль и смесительную арматуру. Скрепляющие рстворы нагнетались серийно выпускаемыми установками типа НАГУС-212, разработанными ИГД им.Скочинского.

Для отсоса воздуха был использован водокольцевой вакуум-насос ЖВН-3, созданный в ДонНТУ. Перед работой вакуум-насоса в шахтных условиях проведены стендовые испытания в соотвествии с правилами [3] в целях получения точной технической характеристики.

Смесительно-запорная аппаратура состояла из механического герметизатора, удлинительной и загрузочной трубок, из статического смесителя, ниппеля, шарового крана и тройника. Полный цикл работ по упрочнению пород определялся временем отверждения скрепляющего состава в массиве, поэтому работа была организована так, чтобы продолжительность нагнетания была минимальной, а оотверждения - максимальной. Для выполнения этих условий совмещалось большинство операций по подготовке нагнетания и контролировалось четкое выполнение грифика организации работ.

В горизонтальном квершлаге до пикета ПК35 работы по упрочнению массива пород велись по традиционной схеме. В вертикальной плоскости сечения выработки по новому способу бурилось 5 шпуров в кровле и боках диаметром 42 мм и длиной 2-3 м. Шпуры относительно касательной к арочной крепи располагались под углом 90^o, герметизация их производилась на глубину 0,7-1 м. Для нагнетания применялись установкаНАГУС-212 с максимальным давление нагнетания до 16 МПа. Паспортный расход скрепляющего состава на шпур был 60-120 кг.

Реализация нового способа нагнетания скрепляющих составов с использованием эффекта вакуумирования производилась по следующим технологическим параметрам: глубина шпура 3 м, диаметр 42мм; угол наклона шпура к касательной арочной крепи 90^o; расстояние между рядами шпуров 3 м; количество шпуров в ряду 5шт; глубина герметизации 1-1,5 м; давление нагнетания до 16 МПа; относительный вакуум, создаваемый вакуум-насосом, до 70%. Схема расположения шпуров приведена на рис.2. Очередность обработки шпуров при нагнетании и отсосе: на I этапе - 2-й и 1-й шпуры; на II - 4-й и 5-й; на III - 3-й и 8-й; на IV - 7-й и 6-й; на V - 9-й и 10-й шпуры.

В качестве скрепляющего использовался полиуретановый состав ППУ-328 (ТУ 6-05-221-803-85), разработанный ВНИИСС. Длина выработки, подвергшейся упрочнению при производстве опытно-промышленной проверки, 30 м. Количество рядов шпуров 10 при расстоянии между рядами 3 м, по 5 шпуров в ряду. Общее количество обработанных шпуров 50.

При увеличении расстояния между рядами шпуров до 3 м (против 1,5-2 м при обычной схеме) время нагнетания осталось таким же, как и при традиционной схеме, причем ни разу не было зафиксированно выхода составана контур выработки. Нагнетание в шпур велось до появления в откачиваемом шпуре раствора, который появлялся только в том шпуре, из которого откачивался воздух, хотя соседние шпуры находились на таком же расстоянии. Этот факт указывет на то, что процесс распространения скрепляющего раствора при использованиии эффекта вакуумирования в проницаемом массиве принимает направленный характер.

Расход скрепляющего раствора не лимитировался в целях подтверждения теоретических предпосылок и достигал 170-280 кг в шпур против 90 кг при обычной схеме нагнетания. При нагнетании с вакуумированием полностью прекратились явления гидровзрыва, хотя давление нагнетательной устоновки было максиальным.

Исходя из полученных результатов проведенной опытно-промышленной проверки нагнетания скрепляющих растворов с использованием эффекта вакуумирования, можно сделать следующие выводы. Применение нового способа нагнетания обесечивает эффективную и качественную обработку массива. Использование вакуумирования позволило увеличить расстояние между рядами обрабатывемых шпуров с 1,5 до 3 м. На эксперимментальном участке не наблюдалось гидровзрыва пород и полностью отсутсвовал выход упрочняющего раствора в полость выработки.

Использование вакуумирования способствовало принятию обрабатывемым массивом с одной позиции от 170 до 280 кг раствора (против 90 кг при обычной схеме нагнетания), что свидетельствует о более качественной обработке массива. Выход упрочняющего состава только через отсасывающий шпур подтверждает, что процесс обработки массива принимает направленный характер и создаются условия для упрочнения пород по заданным геометрическим параметрам.

Литература