В настоящее время наиболее широкое распространение получают такие способы упрочнения массивов горных пород, как анкерование, химическое упрочнение и упрочнение вяжущими.
Каждый из них имеет определенную область применения и используется с максимально эффективными параметрами.
Область применения способов в первую очередь определяется геомеханическими параметрами, к которым относятся место проведения работ по упрочнению, размеры зон упрочнения, степень нарушенности массива пород и характеристика нагружения упрочненного массива.
Коротко рассмотрим область применения принципа действия анкерования кровли. Анкерование довольно широко применяется для упрочнения пород, но не нашло распространения в Донецком бассейне в связи со сложностью деформационных процессов и невозможностью его применения во всех горногеологических условиях. Это является следствием того, что при напряжениях в массиве выше предела мгновенной прочности породы начинают разрушаться либо непосредственно в забое, либо впереди него. Как известно, при проведении выработки в слоистом массиве имеет место периодическое разрушение плит пород кровли. Особенно важно при этом присутствие в кровле выработки слабых пород, которые под влиянием прогиба вышележащих слоев могут интенсивно разрушаться непосредственно в забое.
Очевидно, что при максимальных длинах плит пород непосредственная кровля будет разрушаться в забое или впереди него и анкерование не может дать положительного результата.
Если же максимальные напряжения в заделке плиты в забое не превышают предела мгновенной прочности пород, то анкерование безусловно дает положительный эффект. Здесь важно отметить, что периодическое зависание и разрушение плит пород кровли приводит к периодическому изменению напряжений в заделке от минимальных после разрушения плиты до максимальных перед ее обрушением. В этом случае анкерование может значительно увеличить предельную длину плиты, либо полностью предотвратить ее разрушение. Естественно, что эффективно управлять этим процессом можно только при знании параметров периодичности. Поэтому паспорт анкерования также должен быть увязан с параметрами периодичности.
Таким образом, применение анкерования при проведении выработок связано с характером слоистости и особенностями разрушения пород в забое или впереди него при периодическом проявлении динамической составляющей опорного давления.
Применение анкерования в зоне влияния очистных работ возможно лишь в тех случаях, когда породы кровли не были разрушены при проведении выработок в массиве. Естественно, что работы по анкерованию впереди очистного забоя необходимо проводить за пределами зоны динамической составляющей опорного давления.
Сформулируем основные положения инъекционного упрочнения пород. Оно может производиться при наличии трещин и расслоений определенных размеров, возникновение которых обусловлено технологией ведения горных работ, приводящих к увеличению объема горных пород и их перемещению, уменьшению площади сечения выработки и запаса податливости крепи. Образование больших зон разрушенных пород может вызвать перерасход скрепляющих составов и увеличить протяженность процесса упрочнения. Эти составы применяют при раскрытии трещин до 0,1 м и более.
Наблюдения за состоянием пород при перекреплении выработок показывают, что тонко- и мелкослоистые породы расслаиваются по наслоениям и разделяются на блоки перпендикулярными трещинами при изгибе слоев. Ширина блоков при тонкослоистых породах составляет менее 10 см, при мелкослоистых 10-50 см, длина соответственно 15-20 и 30-40 см.
Поскольку при деформировании пород увеличивается объем трещин, что обусловлено появлением микротрещин (делатансия), а также трещин и расслоений до 0,1 мм, можно предположить, что объем трещин более 0,1 мм в зоне разрушенных пород достигает 50%. В данном случае при коэффициенте расширения 1,05 потребуется приблизительно 25 л полиуретановых составов на 1 м3 породы.
При выборе расстояния от забоя, на котором необходимо вести работы по химическому упрочнению, необходимо принимать во внимание то, что упрочнение нельзя осуществлять в зоне влияния забоя выработки, где имеют место упругие деформации и наблюдаются максимальные скорости смешения пород; в соответствии с руководством (8) не рекомендуется проводить нагнетание при длине шпуров менее 3 м; упрочнение следует осуществлять за пределами зоны выполнения технологических операций по проведению выработки, не допуская больших значений коэффициентов расширения пород.
Перечисленным ограничениям удовлетворяет удаление от забоя на расстояние 15-20 м, где начинается участок релаксации напряжений и скорость смещений падает, а коэффициенты расширения пород не имеют максимума. Установлено, что на расстоянии 18 м от забоя коэффициент расширения пород в четырехметровой зоне составил 1,06, при максимуме 1,13. Следовательно, при упрочнении пород на указанном расстоянии от забоя можно приблизительно в 2 раза снизить коэффициент расширения пород. Увеличение расстояния от забоя снизит эффективность работ по упрочнению пород.
Другое решение может быть принято, если ширина зоны разрушенных пород вне зоны влияния очистных работ не превышает 3 м, а формирование ее заканчивается на расстоянии 50-100 м и более от забоя. Упрочнение пород можно производить вне зоны влияния очистных работ впереди забоя.
Поскольку смещения на контуре имеют место на меньшем расстоянии от лавы, чем длина зоны опорного давления, упрочнение следует проводить до начала проявлений смещений на контуре. На глубине 900-1100 м при залегании в кровле глинистых и песчаных сланцев удаление от очистного забоя должно быть на расстояние 50-70 м.
Упрочнение пород может выполняться и впереди очистного забоя без упрочнения пород вне зоны влияния очистных работ. В этом случае расход полиуретанового состава намного больше. При большом промежутке времени между проведением выработки и очистными работами и при значительных деформациях пород упрочнение может производиться дважды; вслед за проведением выработки и впереди зоны влияния очистных работ.
Для химического упрочнения пород применяют синтетические смолы. Наибольшее распространение получили полиуретановые скрепляющие составы, которые состоят из полиола и полиизоцианата. Оба продукта жидкие и обладают хорошей смачивающей способностью по отношению к породе и углю. При смешивании компонентов в обьемном отношении 1:1 происходит реакция, в результате которой образуется синтетическая пена высокой прочности - полиуретан.
В нашу страну в течение ряда лет фирмой «Бергверксфер-банд» поставлялись компоненты, называемые «Беведоль» (по-лиол) и «Беведан» (полиизоцианат). Отечественный полиурета-новый состав состоит из полиола марок А-329 и полиизоцианата марок «Б» или «Т».
В вентиляционном штреке 1-й лавы центрального уклона полиуретаном упрочнялись породы кровли на концевом участке лавы вслед за проведением выработки. В ее боках бурились шпуры длиной 4 м. Полиуретан нагнетался на расстояние 20-30 м от забоя штрека. В ходе очистных работ были измерены опускания кровли в лаве вблизи сопряжения штрека при удалении от подготовительной выработки на расстояния 0,6; 1,6 и 2,9 м. Смещения кровли при упрочнении их полиуретаном на расстоянии 0,6 м от штрека были в 1,6 раза меньше, чем на контрольном участке, на расстоянии 1,6 м-в 1,3 раза и 2,9 м от сопряжения-в 1,2 раза ниже (рис. 9.1). Как видно из графиков, эффективность упрочнения уменьшается с увеличением расстояния до сопряжения лавы со штреком.
Важным фактором являются не только смещения массива пород кровли, но и взаимодействие их с крепью, а также ее деформации. В той же выработке на расстоянии 40-80 м от забоя штрека упрочнялись породы кровли, опустившиеся на крепь после разрушения, что было связано с большой шириной закрепного пространства. На экспериментальном и контрольном участках измерялись опускания верхняка крепи, ширина выработки, просадки в замках. Из рис. 9.2 видно, что после упрочнения пород опускание верхняка уменьшилось со 144 до 67 мм по сравнению с контрольным участком, расположенном на расстоянии 250 м от забоя, а смещения боков-с 298 до 109 мм. Просадки в замках крепи снизились в 2-10 раз.
Экспериментально апробирована схема упрочнения пород кровли впереди очистного забоя. Работы проводились в 415-м бортовом южном ходке пласта L3 шахты им. Стаханова на глубине 1050 м при залегании в кровле мелкослоистых песчаных сланцев. Упрочнение полиуретановыми составами проводилось на расстоянии 50 м впереди очистного забоя. Шпуры глубиной 4 м бурились в кровле через каждые 4 м. На экспериментальном и опытном участках были установлены по три измерительные станции, где фиксировались смещения кровли, которые на экспериментальном участке на расстоянии 70 м позади лавы были в 1,8 раза меньше, чем на контрольном. Исследования позволили сделать выводы о том, что упрочнение пород кровли подготовительных выработок глубоких шахт полиуретановыми составами в целях предотвращения или снижения интенсивности деформирования, а также уменьшения зон разрушенных пород, должно производиться на расстоянии 15-20 м от забоя за пределами участка, где выполняются технологические операции по проведению выработки.
Упрочнение пород кровли, целью которого является создание благоприятных условий взаимодействия разрушенных пород с крепью, осуществляется на расстоянии 40-50 м от забоя. При ширине зон разрушенных пород менее 3 - 4 м упрочнение пород кровли следует проводить впереди очистного забоя вне зоны его влияния (на расстоянии 50-70 м впереди лавы), а вблизи сопряжений забоя с выработкой - впереди лавы вне зоны влияния очистных работ. Химическое упрочнение пород кровли в 1,8-2,7 раза уменьшает смешения кровли и значительно улучшает взаимодействие пород с крепью.
Для инъекционного упрочнения пород применяют фосфогипсовые и магнезиальные составы.
Технология такого упрочнения основана на принудительном посредством шпуров нагнетании в нарушенные трещинами породы фосфогипсовых или магнезиальных растворов. Расстояние между шпурами должно быть максимально возможным, но обеспечивающим равномерное и полное насыщение углепородного массива скрепляющим составом. Поэтому оно определяется экспериментальным путем.
Глубину бурения шпуров принимают равной ширине зоны интенсивной трещиноватости, которая на практике составляет 2,5-4 м.
Тампонаж проводился в конвейерной выработке 1-й западной лавы пласта с шахты «Южнодонбасская» № 3 ПО «Донецкуголь». Площадь поперечного сечения в свету 12,5 м2. Плотность крепи-2 рамы на 1 м. Глубина заложения выработки' 600-800 м, мощность пласта 0,8-1,1 м, угол падения 7-8°. Непосредственная кровля была представлена неустойчивым глинистым сланцем с пределом прочности 28 МПа и мощностью до 7 м, выше залегали песчаные сланцы и песчаник. В почве размещались неустойчивые глинистые сланцы с пределом прочности 27 МПа. Конвейерная выработка сохранялась для повторного использования как вентиляционная.
Закрепное пространство отсутствовало в связи с наблюдающимися смещениями пород до начала тампонажа. Работы по инъекционному упрочнению проводились на расстоянии 100-150 м впереди лавы. В качестве вяжущего компонента использовалось фосфогипсовое вяжущее. Для приготовления I м3 раствора использовалось 800 кг фосфогипса, 340 л воды и 0,01% от массы фосфогипса триполифосфата натрия (замедлитель схватывания), что обеспечивает прочность затвердевшего материала 12-15 МПа.
С учетом того, что ширина трещин в породах для фосфогипсового вяжущего должна быть не менее 0,15-0,2 мм, расчетная ширина зоны интенсивной трещиноватости (зоны разрушенных пород) составила 2,5 м. По периметру выработки в радиальном направлении бурилось по 4 шпура на расстоянии 2,5-3 м друг от друга диаметром 42 мм длиной 2,5 м. Наблюдения за проявлениями горного давления осуществлялись с помощью глубинных реперных станций.
Влияние очистных работ ощущалось на расстоянии 60 м впереди лавы. Пятизвенная крепь деформировалась задолго до исчерпания ее податливости.
Сближение кровли и почвы на расстоянии 20 м впереди лавы составило 700 мм, а на сопряжении выработки с лавой -1850 мм. На расстоянии 50 м позади лавы оно возросло до 2700 мм.
Максимальная скорость смещений наблюдалась на сопряжении с лавой и на контуре составляла 76 мм/сут. Максимальное расширение пород на расстоянии более 10 м впереди лавы было зафиксировано в полутораметровом слое у контура. На расстоянии 10 м от лавы наиболее интенсивно разрушался слой, удаленный от контура на 1,5-2,5 м, а приконтурный под влиянием сопротивления крепи сжимался.
Анализ наблюдений дал возможность установить, что после инъекционного упрочнения фосфогипсом образуется оболочка, удаленная от контура на расстояние 0,8-1,8 м, играющая роль монолитной бетонной крепи, которая не разрушаясь выдерживает радиальные смещения до 50-70 мм.
Наблюдения показали, что на расстоянии свыше 5 м впереди лавы смещения оболочки не превышали 110 мм. Разрушения не наблюдались. Начиная с расстояния 5 м впереди лавы, упрочненная оболочка пород утрачивала свою монолитность и выполняла функции подобные сборной крепи.
Позади лавы сдерживающее влияние упрочненной оболочки заметно снижается. Наилучшие результаты были получены на участке длиной 21 м, где на расстоянии 20 м впереди лавы сближение кровли и почвы не превышало 150 мм. На сопряжении с лавой смещения составили 800 мм. На расстоянии 35 м позади лавы они равнялись 1300 мм, что на 1350 мм меньше чем на контрольном участке.
Таким образом, эксперименты показали эффективность упрочнения пород вяжущими.