Опыт упрочнения нарушенных участков угольных пластов органоминеральной смолой Вилкит-Е в Кузбассе

Полимерные смолы для упрочнения нарушенных участков угольных пластов широко применяются на шахтах Германии и других угледобывающих стран. В России технология упрочнения угля использовалась редко.

В настоящее время опыт использования органоминеральной смолы Вилкит-Е на шахтах Кузбасса доказывает высокую технологическую и экономическую эффективность упрочнения нарушенных участков угольных пластов полимерными смолами.

Среди широкого спектра полимерных смол, производимых фирмой “КарбоТехФосрок” (Германия) для угольных шахт, специально для упрочнения нарушенных участков угольных пластов разработана органоминеральная смола Вилкит-Е.

К достоинствам применения органоминеральной смолы Вилкит-Е относятся:

• равномерная пропитка трещин в обрабатываемом угольном массиве;

• высокая прочность отвержденного полимерного состава;

• пластиковые принадлежности для нагнетания, обеспечивающие безопасность работ при последующей выемке упрочненного угля шнеками очистного комбайна.

Органоминеральная смола Вилкит-Е состоит из двух жидких компонентов, которые в объемном соотношении 1:1 при помощи специального насоса раздельно подаются по шлангам и после перемешивания в статическом смесителе, через анкерную систему нагнетаются в упрочняемый массив. Реакция компонентов органоминеральной смолы начинается на выходе из смесителя. Технические данные смолы Вилкит-Е приведены в таблице 1.

Таблица 1. Техничесие данные реакционной смеси Вилкит-Е

Наименование	Показатели
Начало реакции компонентов после перемешивания, с	70-80
Продолжительность реакции, мин	10-15
Температура реакции, 0C	90
Предел прочности на сжатие, МПа	60
Предел прочности на растяжение, МПа	3,5

Широкое применение органоминеральной смолы Вилкит-Е в Кузбассе началось в 2001г. с упрочнения неустойчивых и нарушенных участков угольных пластов на шахте “Распадская” (Междуреченск). Полученный положительный, опыт в дальнейшем был использовании и на других шахтах. В качестве примеров ниже приведены результаты применения органоминеральной смолы Виликт-Е при прохождении лавами нарушенных участков на шахте “Большевик” (Новокузнецк) и шахте им. В. И. Ленина"(Междуреченск).

При отработке пласта 29а на шахте “Большевик” ведение очистных работ в лаве 29-33 было осложнено дизъюнктивным нарушением с максимальной амплитудой Н=7,0м, которое пересекало лаву под углом 10-450 на участке протяженностью 160м в направлении подвигания очистного забоя.

В зоне нарушения средняя мощность пласта 29а составляла 3,6м, угол падения пласта изменялся в пределах 2-80. Породы непосредственной кровли пласта представлены алевролитом мощностью 1,5-2,0м с коэффициентом крепости f=3-4. Основная кровля была сложена алевролитом мощностью 12-20м с коэффициентом крепости f=3-4. Глубина ведения горных работ составляла 100-130м.

При входе очистного забоя в зону нарушения происходило обрушение верхней нарушенной пачки пласта и пород непосредственной кровли, В результате образовывались купола в кровле пласта высотой до 5-6 м, что снижало безопасность ведения горных работ. В результате частых остановок очистного оборудования среднесуточная добыча угля из лавы 29-33 снизилась с 1900 до 150-250т.

По рекомендации специалистов российского представительства “КарбоТехФосрок” было предложено провести упрочнение нарушенной зоны в лаве 29-33 при помощи органоминеральной смолы Вилкит-Е.

Технология работ по упрочнению нарушенной зоны в лаве 29-33 шахты «Большевик» заключалась в следующем. Для нагнетания смолы Вилкит-Е использовался насос JWPD с гидравлическим приводом, подключаемый к гидросистеме механизированной крепи. Паспорт упрочнения нарушенной зоны включал бурение шпуров диаметром 43мм и длиной 2м в верхнюю пачку пласта перпендикулярно линии очистного забоя с наклоном 15-200 в сторону кровли пласта (см. рисунок 1). Расстояние между шпурами принималось 2,5-3,0м. В каждый шпур помещалась пластиковая трубка длиной 2м с установленным на ее конце герметизатором. Обработка угольного массива органоминеральной смолой производилось последовательным подключением каждого шпура к нагнетательной системе. После окончания обработки пластиковая трубка и герметизатор оставались в массиве, дополнительно упрочняя призабойную часть угольного пласта.

Работы по упрочнению проводились вовремя ремонтной смены специально обученным звеном горнорабочих количестве 3 человек. Средний расход полимерной смолы на один шпур составил около 80кг. Всего на обработку нарушенной зоны в лаве 29-33 было израсходовано 5т органоминеральной смолы Вилкит-Е.

В результате проведенных работ по упрочнению удалось значительно улучшить состояние призабойной части пласта, ликвидировать вывалы верхней пачки угля и пород непосредственной кровли. Среднесуточная добыча очистного забоя при прохождении нарушенной зоны возросла до 650т.

На шахте имени В. И. Ленина проводилась отработка двух выемочных участков 0-5-1-7 и 0-5-1-9 верхнего слоя мощного пласта IV-V в одинаковых горно-геологических условиях. В первом случае переход геологического нарушения лавой 0-5-1-7 производился без упрочнения нарушенного угольного массива, а в лаве 0-5-1-9 применялась органоминеральная смола Вилкит-Е.

Полная мощность пласта IV-V изменялась в пределах 9,2-10,4м. Средняя вынимаемая мощность верхнего слоя пласта составляла 4,5м. Угол падения пласта достигал 130. Глубина ведения горных работ составляла 220-230м.

В контуре выемочных участков выявлено геологическое нарушение с переменной амплитудой вертикального смещения Н=0,4-3,0 м для выемочного участка 0-5-1-7 и Н=1,8-2,5м для выемочного участка 0-5-1-9 (см. рисунок 2).

При подходе лавой 0-5-1-7 к геологическому нарушению в июне 2000г. был произведен поворот комплекса с опережением нижней части на 10-15м по отношению к верхней для сокращения зоны перехода нарушения лавой. Несмотря на принятые меры, в первые два месяца работы при переходе зоны нарушения среднесуточная нагрузка на очистной забой снизилась с 2100 до 1000т. Основная причина снижения добычи заключалась в неустойчивом состоянии нарушенного угольного массива и пород непосредственной кровли, что приводило к вывалам угля и обраэованию куполов в породах кровли. В сентябре 2000г. из лавы 0-5-1-7 было добыто всего 4826т угля. На протяжении последующих четырех месяцев ведение очистных работ в лаве постоянно сопровождалось работами по креплению кровли и куполов. В январе 2001г. во время проведения работ по креплению кровли из-за внезапного обрушения пород погиб горнорабочий. После этого работы в лаве 0-5-1-7 были прекращены и произведен демонтаж очистного оборудования. В выемочном столбе 0-5-1-7 было оставлено 194тыс.т неотработанных запасов угля.

Учитывая неудачный опыт отработки выемочного участка 0-5-1-7, при подходе лавы 0-5-1-9 к зоне геологического нарушения был разработаны мероприятия по упрочнению зоны нарушения при помощи полимерной смолы.

Опыт применения полиуретановых смол на шахте им. В. И. Ленина показал, что в большинстве случаев не улучшалось состояние призабойной части угольного массива. Причина неудовлетворительных результатов заключалась в увеличении объема полиуретановой смолы после реакции ее компонентов, что приводило к увеличению трещиноватости и без того сильно нарушенного угля. В очистных забоях происходил внезапный отжим угля глубиной до 1,5м через 10-15 минут после нагнетания в массив полиуретановой смолы.

По рекомендации специалистов российского представительства «КарбоТехФосрок» для упрочнения нарушенной зоны в лаве 0-5-1-9 была предложена органоминеральная смола Вилкит-Е. В отличие от полиуретановых. смол органоминеральная смола Вилкит-Е в реакционном состоянии не увеличивается в объеме, что, в свою очередь, не приводит к обрушению угля в призабойном пространстве лавы.

Работы по упрочнению в лаве 0-5-1-9 были начаты сразу же после входа очистного забоя в зону геологического нарушения. Нагнетание смолы Вилкит-Е в угольный массив производилось при помощи гидравлического насоса JWPD. Цикл упрочнения заключался в обработке нарушенной зоны верхней пачки угольного пласта IV-V на участке лавы протяженностью 25-30м. При этом упрочнялась зона нарушения длиной 12м и прилегающие участки угольного пласта длиной 8м по обе стороны от нарушенной зоны. После подвигания линии очистного забоя за контур упрочненной зоны аналогично производился очередной цикл обработки смолой Вилкит-Е следующего вышерасположенного участка.

Паспорт упрочнения, разработанный специалистами шахты и сотрудниками российского представительства «КарбоТехФосрок», заключался в следующем. На каждом участке производилось бурение шпуров длиной 5,5м и диаметром 43мм в верхнюю пачку пласта, ориентированных горизонтально и с наклоном 15-200 в сторону кровли пласта. Расстояние между шпурами в зоне нарушения принималось 1,5м, в прилегающих , к нарушению участках пласта-3м. Расход смолы Вилкит-Е на один шпур в зависимости от места его расположения принимался от 40 до 200кг.

За время прохождения зоны нарушения суммарный расход органоминеральной смолы Вилкит-Е составил 12т. Переход зоны нарушения занял всего 50 дней Сравнительные показатели работы лав 0-5-1-7 и 0-5-1-9 при переходе геологического нарушения соответственно без упрочнения и с применением органоминеральной смолы Вилкит-Е приведены в таблице 2.

Таблица 2. Показатели работы лав 0-5-1-7 и 0-5-1-9 при преходе нарушения

Наименование	Лава 0-5-1-7	Лава 0-5-1-9
Время прехода зоны нарушения, сут	210	50
Среднесуточная нагрузка на очистной забой до перехода зоны нарушения, т	2100	2200
Среднесуточная нагрузка на очистной забой при преходе зоны нарушения, т	600	1700

Таким образом, управление состоянием нарушенного угольного массива при помощи органоминеральной смолы Вилкит-Е привело к стабилизации нарушенной призабойной части угольного пласта, повышению безопасности работ в очистном забое, увеличению среднесуточной добычи угля и сокращению времени перехода зоны нарушения. Экономический эффект от применения органоминеральной смолы в лаве 0-5-1-9 составил 15,6млн руб.