Рассмотрен опыт различных шахт по предотвращению вывалов ложной кровли в очистных забоях.

Анализ производственной деятельности шахт Украины, ведущих разработку на больших глубинах в условиях слабых вмещающих пород, показывает, что значительная часть комплексно-механизированных забоев (КМЗ) требует предотвращения вывалообразований неустойчивых пород кровли в этих забоях. Сегодня эта проблема как никогда актуальна, так как на шахтах Украины производительность КМЗ снижается в 2-3 раза. Поэтому на шахтах все большее распространение получают различные способы упрочнения слабых пород кровли, в том числе и скрепляющие составы, обеспечивающие потерю текучести и их отвердение в массиве за время, обусловленное технологией выемки угля.

Скрепляющие составы можно разделить на три группы: -водные суспензии тонких частиц, размеры которых ограничивают возможность применения их для узких трещин. К этой группе относятся водные растворы цемента и глины, обладающие быстрой седиментацией после прекращения движения. Поэтому их сложно применять при узких трещинах. Более стабильные растворы глины со смесью цемента и бентонита или цементы с ускоряющими добавками, но они имеют низкую проницаемость по трещинам;

-гели, вязкость которых постепенно увеличивается до полного отвердения, например, силикатные клеи, широко применяемые для упрочнения грунтов и тампонажа обводненных песков, однако они медленно твердеют и могут быть использованы только для профилактического упрочнения пород;

-растворы на основе синтетических смол, через некоторое время отвердевающие под влиянием добавки или катализатора.

По сравнению с силикатными и цементными данные растворы характеризуются лучшими адгезией. К породе и проникающей способностью в тонко трещиноватые среды, хорошо регулируемые сроками гелеобразования и отвердения, большей механической прочностью. При рассмотрении свойств закрепляющих растворов на основе синтетических смол можно сделать вывод, что их основные составляющие имеют преимущества и недостатки. Эпоксидные и полиэфирные смолы обладают хорошими скрепляющими свойствами, но дороги, с высокой вязкостью, чувствительны к влаге. Мочевино-формальдегидные смолы обусловливают несколько худшие физико-механические показатели составов, но менее токсичны, дешевле, имеют более низкую вязкость и обеспеченную сырьевую базу.

Следовательно, такие смолы приемлемы для упрочнения пород методом нагнетания. Для этого используются нагнетательные установки с пневматическим приводом. Рассмотрим технологию упрочнения пород кровли, разработанную в ФРГ и применяемую на некоторых шахтах Донбасса. Нагнетательное оборудование представлено насосной установкой, высоконапорными шлангами и герметизатором со смесителем. Максимальная производительность установки 10 л/мин, максимальное давление 14 МПа, габаритные размеры 720*320*620 мм, масса 90 кг.

Насосная установка - компактная конструкция без редуктора, в ней соосно соединены два шестеренных насоса и пневмодвигатель, который позволяет плавно регулировать подачу скрепляющего состава. Над насосами располагаются две расходные емкости с жидкостями «Беведоль» и «Беведан». От каждого насоса жидкости поступают по шлангам к тройнику, подсоединенному к концу трубки, выступающей из шпура. В трубке находится пластмассовый смеситель статического действия. Трубка соединена с герметизатором. Шпуры глубиной 4 м бурят в породах под углом 10-15 градусов к напластованию на расстоянии один от другого 3 - 5 м, уплотнение проводят на глубине 1,2 - 1,5 м. Герметизатор (разового пользования) оставляют в каждом шпуре. Используют нормальный (время гелеобразования 20 - 30 мин) и ускоренный (1,5 мин) составы. При появлении нормального состава через трещины на обнаженной поверхности массива переключаются на нагнетание ускоренного. Расход полиуретанового состава на один шпур в среднем равняется 200 кг, на укрепление 1 кв. м кровли - около 15 кг. Давление нагнетания не превышает 5 МПа, средняя производительность насосной установки 8,5 л/мин.

Технология хорошая, но применяемые смолы дорогие, токсичные. Поэтому она вряд ли получит широкое применение на шахтах Донбасса. Упрочнение неустойчивых пород кровли в лавах анкерами, закрепляемыми вспенивающимся быстротвердеющим полиуретановым составом по всей длине шпура, находит все большее распространение на шахтах Донбасса. Цель упрочнения - предотвратить обрушение кровли до установки основной призабойной крепи. В лавах с механизированными крепями упрочненная кровля должна выдерживать 4-6 циклов нагружения и разгрузки секций при их передвижке.

Сущность способа упрочнения кровли в очистных забоях химическим анкерованием заключается в следующем. Со стороны плоскости обрушения пород с возможно большим опережением очистного забоя устанавливают анкеры на такую глубину, чтобы после выемки и возведения крепи под упрочненную кровлю передний конец анкера находился над массивом угля. Полиуретановый скрепляющий состав подается в шпуры в ампулах(рис. 1) , представляющих собой запаянную полиэтиленовую оболочку со стеклянной пробиркой.

Рис. 1. Ампула со скрепляющим составом: 1 - шов (спайка); 2 - полиэтиленовая оболочка; 3 - пенопластовая пробка; 4 - стеклянная пробирка; 5 - кодицин; 6 - полиэфирная смесь.

В ней находится один из компонентов - кодицин, а в полиэтиленовой оболочке - полиэфирная смесь. Общая масса состава в ампуле 170 г. На закрепление одного анкера расходуется 4-12 ампул в зависимости от длины шпура, поперечного размера стержня и степени трещиноватости пород; на 1 м шпура в среднем расходуется 3 ампулы . Для образования качественного полиуретана исходные компоненты, находящиеся в ампуле, необходимо перемешать. После укладки ампул в шпур вводится анкер, который вращается с помощью ручного электросверла. При поступательном движении и вращении анкера в течение 30 с пробирка и оболочка ампулы разрушаются, и содержимое их хорошо перемешивается. Полученная смесь вспенивается за 30 - 40 с, увеличиваясь в объеме в 3,5 - 4 раза. Затвердевание происходит через 1-3 мин, а через 10 мин анкер можно нагружать. Благодаря применению вспенивающегося (расширяющегося) скрепляющего состава эффект упрочнения пород усиливается. При вспенивании состав плотно заполняет пространство между стенками шпура и анкером и проникает на 10 - 15 см в крупные трещины вокруг шпура, скрепляя окружающие породы. Удельная прочность закрепления анкера полиуретановым составом находится в пределах 137 - 178 кН на 1 м шпура. Полиуретановый состав образуется в результате химической реакции между кодицином и полиэфиром. Остальные добавки играют вспомогательную, но очень важную роль (трихло-рэтилфосфат - пластификатор, триэтиламин - катализатор реакции, эмульгатор КЭП-1 способствует образованию равномерных по величине ячеек пеноструктуры; вода является вспенивателем, при ее взаимодействии с кодицином выделяется углекислый газ; варьируя количество воды, можно изменять кратность вспенивания состава).

В качестве анкеров используются стальные арматурные стержни диаметром 28 или 32 мм и серийно изготовляемые стальные клиновые анкеры диаметром 20 мм. Плоскость обрушения пород, как правило, закрепляется прогонами (деревянные брусья, распилы, стойки и стальные швеллеры), которые надеваются на концы стержней, выступающие из породного массива

Рассмотрим опыт применения химического анкерования в лавах с различной механизацией очистных работ. На шахте им. Киселева объединения Торезантрацит в 1-й восточной лаве пласта оборудованной комплексом КМК-97, зона неустойчивой кровли находилась в нижней части лавы. Ее длина составляла 20 м. Вывалы пород происходили участками по 3—6 м, между которыми оставались промежутки с устойчивой кровлей. Порода обрушалась сразу за проходом комбайна на высоту 0,7—1 м. При плане 460 т за сутки фактическая добыча угля составляла в среднем 350 т.

После упрочнения пород методом химического анкерования (рис. 2, а) возникавшие вывалы кровли в дальнейшем быстро ликвидировались. Среднесуточная добыча возросла до 600 т, а в отдельные дни достигала 800 т. На шахте «Ждановская» (Шахтерскантрацит) химическое анкерование проводилось в 6-й западной лаве пласта т9, оборудованной комбайном «Донбасс» с шириной захвата 1,6 м и индивидуальной крепью. На пяти ранее отработанных этажах из-за осложнений с поддержанием неустойчивой кровли не удавалось произвести выемку угля до границ шахтного поля. В такую зону попала и 6-я западная лава. Породы кровли периодически обрушались на высоту 1,5—2 м участками по всей длине лавы. В некоторых случаях зона обрушения превышала половину длины лавы. Упрочнение химическим анкерованием (рис.2, б) осуществлялось участками длиной 7—8 м без прекращения работ по выемке угля.

В результате применения указанного метода 6-й этаж был отработан до границ шахтного поля. При выемке угля с закладкой выработанного пространства состояние и устойчивость кровли в лаве намного лучше, чем при полном обрушении. Это обусловлено меньшими проявлениями смещений кровли по нормали к напластованию и изменением механизма взаимодействия вмещающих пород с закладочным массивом. В натурных условиях изучить особенности этого механизма практически нельзя из-за невозможности расположения соответствующей измерительной аппаратуры в толще горных пород. Исследованиями ДонУГИ на моделях из эквивалентных материалов с использованием ультразвуковых измерений установлено, что трещины появляются в породах кровли призабойного пространства. По мере перехода этих пород в зону поддержания закладочным массивом трещины закрываются, плотность пород кровли достигает плотности ненарушенного массива. Однако процесс образования трещин в кровле пласта при разных способах управления кровлей остается пока недостаточно изученным.

Исследования на моделях из оптически чувствительных материалов дают возможность установить картину распределения напряжений в упругой среде, которая формируется во вмещающих породах, лишь в первый период после выемки угля. В качестве оптически чувствительного материала использован игдантин. При моделировании полной закладки выработанного пространства усадка закладочного материала составляла 25% мощности пласта. Мощность пород непосредственной кровли принимали равной шестикратной мощности пласта.

Сравнение исходных картин распределения касательных напряжений в упругой среде показывает, что при полной закладке в породах кровли концентрация напряжений намного меньше, чем при полном обрушении. Самый высокий уровень напряжений в обоих случаях расположен у кромки очистного забоя. Однако при полном обрушении напряжения вблизи кромки примерно в 1,5—1,8 раза больше, чем при закладке. Кроме того, краевая часть массива угля на большей площади пригружена дополнительным (опорным) давлением вследствие большего прогиба толщи, оседающей на хаотически обрушенные слои пород непосредственной кровли. Все это дает основание утверждать, что при прочих равных условиях вероятность появления трещин горного давления в породах впереди лавы будет всегда большей при управлении кровлей полным обрушением, чем при закладке. Этому способствует также наличие большей длины зоны опорного давления впереди лавы (возрастает время восприятия породами кровли опорных нагрузок, которые к тому же в реальных условиях имеют знакопеременный характер).

Устойчивость пород кровли в призабойном пространстве существенно зависит от степени их предварительной трещиноватости, сформировавшейся впереди очистного забоя под воздействием опорного давления, а также от величины оседаний над выработанным пространством близлежащих пород подработанной толщи. Позади лавы породы кровли расслаиваются, растут величины их оседания и трещиноватость породных слоев в результате действия значительных изгибающих (растягивающих) напряжений. Следовательно, в сравнимых условиях при закладке выработанного пространства складывается более благоприятная геомеханическая обстановка в окрестности очистного забоя. Очевидно, при отработке лав на глубоких горизонтах роль фактора управления кровлей будет возрастать в комплексе мер по предотвращению отрицательных проявлений горного давления. Особенно положительное влияние полной закладки будет сказываться при выемке пластов мощностью более 0,9—1 м, в непосредственной кровле которых залегают относительно слабые аргиллиты или алевролиты (мощность слоев до 2—3 м), а основная кровля представлена прочными песчаниками значительной мощности.

Подработанные породы непосредственной и основной кровли, оседающие на хаотически обрушенный слой или на закладку, представляют собой блочный массив типа безрастворной кирпичной кладки. Причем по мере удаления от пласта размеры блоков в плоскости напластования увеличиваются. Чтобы проследить в первом приближении механизм раскрытия и закрытия торцовых межблочных трещин над призабойным и выработанным пространствами, в моделях воспроизведены разрезы пород кровли по нормали к напластованию. Взаимодействие блоков и распределение в них напряжений в целом соответствуют поведению сплошной упругой среды, есть возможность представить общую механическую картину оседания подработанной толщи.

При наличии в породах кровли некоторой блочной структуры при закладке выработанного пространства концентрация максимальных касательных напряжений вблизи кромки массива угля намного меньше, чем при полном обрушении кровли. Характерно, что при обрушении кровли по мере удаления от очистного забоя увеличивается раскрытие межблоковых трещин. В реальных условиях это сопровождается разрушением пород на торцовых поверхностях блоков. Чем интенсивнее процессы расслоения и разрушения пород, тем хуже их состояние в лаве.

Изложенные геомеханические особенности поведения пород кровли при обрушении практически полностью устраняются или сводятся к минимуму, если в лаве применяется полная закладка выработанного пространства, когда усадка закладочного массива не превышает 20—25% вынимаемой мощности пласта, а отставание закладки от забоя не более 3—3,5 м. Породы кровли при этом не теряют своей сплошности. Если в близлежащих слоях непосредственной кровли и образуются трещины горного давления, то интенсивность и глубина их намного меньше, а процесс раскрытия и закрытия трещин не носит явно выраженного характера.

Чтобы при полном обрушении обеспечить хорошую устойчивость кровли в призабойном пространстве, нужно резко уменьшить прогиб и опускание кровли не только вблизи забоя, но и в пределах зоны активных сдвижений пород над выработанным пространство**. Длина этой зоны применительно к типовым средним горно-геологическим условиям Донбасса примерно равна удвоенному месячному подвиганию лавы.

Контактирующие между собой призматические блоки создают устойчивую систему, которая представляет собой пакет слоев (типа разрезных балок), имеющих в плоскости напластования разную длину блоков. Область трещиноватости пород, расположенных над очистной выработкой, по своей форме приближается к своду, в вершине которого залегает плита с большим шагом обрушения. Чем меньше процент усадки закладочного массива, тем меньше ширина и высота перемещающейся сводообразной области трещиноватых пород. За счет увеличения сил трения и зацепления торцов блоков повышается устойчивость кровли в призабойном пространстве лавы. Однако в случае большого отставания закладочного массива от забоя (более 6 м) преимущества этого способа в части компенсации отрицательных воздействий горного давления существенно уменьшаются. Применение закладки выработанного пространства снижает концентрацию напряжений во вмещающих породах и повышает их устойчивость в призабойном пространстве и в окрестности очистного забоя. Механизм улучшения состояния кровли заключается в уменьшении эксплуатационной трещиноватости пород впереди и позади лавы, в сохранении сплошности, увеличении сил трения и зацепления между оседающими породными блоками. В сравнимых условиях геомеханические показатели применения закладки улучшаются по мере увеличения жесткости закладочного массива и уменьшения ширины поддерживаемого призабойного пространства. Закладка выработанного пространства снижает нарушенность подработанной толщи и способствует сохранению окружающей среды. На некоторых шахтах Донбасса отрабатываются лавы с использованием щитовых крепей. И для таких забоев существуют способы, при которых щитовая крепь позволит добиться хороших результатов при управлении неустойчивой кровлей.

Известно, что из-за нарушения устойчивости щитовая крепь не в состоянии поддерживать кровлю при образовании угольным забоем откоса. Крупные вывалы породы из кровли в этих зонах могут существенно снизить скорость подвигания очистного забоя. В этом плане интересен опыт ФРГ. Лава со щитовой крепью отрабатывала пласт Дикебанк вынимаемой мощностью 220 см. Непосредственная кровля пласта в нижней части представлена сланцеватой глиной. Выше нее залегает слой породы с угольными прослойками переменной мощности, и на расстоянии от пласта примерно 130 см проходит слой сланцеватой глины с включениями глинистого железняка. При повороте лавы на 200 гон вблизи точки поворота образовывались вывалы породы высотой до 10 м, что объяснялось подработкой линий очистных забоев и установкой лавы по направлению основного кливажа.

Опыт показал, что нагнетание ангидрита позволяет мех. крепи преодолевать участки лавы с крупными вывалами породы из кровли. Перемычка высотой около 1,5 м из природного ангидрита перекрывает вывал со стороны лавы, обеспечивает восстановление распора слоев кровли параллельно напластованиям и предотвращает дальнейшее разрыхление пород кровли над еще не отработанным угольным забоем. Благодаря высокой прочности ангидритовая перемычка создает жесткую опору передвигаемой под ней щитовой крепи и защищает от обрушающихся кусков породы горняков, работающих под вывалом. В заключение следует отметить, что неустойчивая кровля в большинстве лав встречается не на всём протяжении выемочного поля, а периодически и на ограниченных участках по длине лавы. Переход этих участков без мероприятий по упрочнению пород кровли всегда связан с ухудшением технико-экономических показателей. Несмотря на относительно высокие затраты, с помощью всех выше приведенных способов укрепления кровли можно получить экономический эффект. В каждом конкретном случае, исходя из горно-геологических условий, решается вопрос об эффективности применения упрочнения по¬род кровли в очистном забое путем нагнетания в них упрочняющих составов или химического анкерования, а при большой высоте вывалов - сооружения ангидритовых перемычек. Применение полной закладки выработанного пространства наряду с предотвращением вывалов пород кровли позволяет за счет оставления породы в шахте улучшить экологическую обстановку в Донбассе и уменьшить площадь плодородных земель, отводимых под породные отвалы.

Библиографический список

В. В. Кара, Р. Г. Ильюшенко, Ю. Н. Цедрик. Скрепляющие составы для упрочнения пород кровли в очистных забоях // Уголь Украины. - 1978. - № 1- с. 11-12. В. К. Сальников, И. М. Данильченко, 3. П. Кобрина. Испытания полиуретановых составов для укрепления неустойчивых пород // Уголь Украины. - 1983. - № 12 - с. 10-13. В. В. Кара, В. К. Сальников. Химическое анкерование в очистных забоях // Уголь Украи¬ны. - 1977. -№ 7.- с.20-22.

М. П. Зборщик, СВ. Подкопаев. Механизм повышения устойчивости кровли в лавах при закладке выработанного пространства // Уголь Украины. - 1992. - № 5 - с.20-23. Краэ Ю., Шрер Д., Шмидт Э. Заполнение вывалов породы из кровли ангидритом в лавах со щитовой крепью // Глюкауф. - 1987. - № 7 - с.6-9.

© Самойлов В. Л, Дёминов А. Н„ 2007