В последние годы в мировой и отечественной практике начинают применяться невзрывчатые разрушающие средства, способные резко увеличиваться в объеме и создавать высокие давления в результате протекания реакций гидратации. Материалы на основе невзрывчатых разрушающих веществ (НРВ) в настоящее время применяются в основном для разрушения прочных пород и дробления негабаритных блоков при добыче скальных пород открытым способом. Существуют предпосылки применения НРВ в угольных шахтах взамен традиционных взрывчатых веществ, в этом направлении ведутся значительные научные исследования.
Авторами статьи поставлена задача определения возможности применения НРВ с противоположной целью - для упрочнения вмещающего горную выработку массива в пределах зоны разрушенных пород. Технологически это осуществляется за счет создания распора в разрушенных породах за пределами проектного контура выработки, что приводит к увеличению сил трения между породными фрагментами и способствует их самоподдержанию (рис. 1). Указанная технология упрочнения может быть реализована при перекреплении горных выработок (1).
На рис. 2 показана расчетная схема к определению параметров технологии ремонта выработки на основе искусственного создания распора в зоне возможного обрушения пород.
Решение поставленной задачи осу-ществляется при следующих допущениях: граница зоны возможного обрушения пород кровли выработки Н распространяется до границы зоны разрушенных пород вокруг выработки; породные фрагменты по форме представляет собой параллелепипеды с высотой, равной мощности породных слоев; породный массив представляется безраспорной сыпучей средой.
Равновесное состояние области по-родного массива по ширине В обеспечивается за счет приложения распределенной нагрузки q по его краям на участке у. При этом суммарные силы трения по вертикальным границам породных блоков F уравновешиваются их весом с учетом дополнительной нагрузки, создаваемой весом пород на участке (Н-у).
Решение уравнения предельного рав-новесия по приведенной расчетной схеме позволяет получить следующую зависи-мость: (1) Результаты расчетов по формуле (1) для условий Н=3м, В=2м, ?=0,025МН/м3 показаны на рис. 3.
Анализ зависимости величин распора (q) от протяженности сжимаемого участка пород (у) (рис. 3) показывает, что с увеличением последнего с 0,6 до 3 м необходимая величина распора уменьшается с 0,27 до 0,05 МПа.
Для определения предельных давле-ний, развиваемых невзрывчатыми разрушающими средствами, были проведены лабораторные исследования их работы в условиях сходных с природными. Для испытаний был взят материал НРВ-80, выпускаемый в настоящее время промышленностью Украины.
Указанный материал представляет собой порошкообразное вещество на основе оксида кальция, является пылящим, негорючим, невзрывоопасным, что позволяет применять его в шахтных условиях.
Для проведения лабораторных испы-таний был изготовлен специальный прибор (рис. 4), состоящий из следующих элементов: 1 – цилиндр; 2 – шток; 3 – винт; 4 - проставка.
Схема испытаний состояла в следующем. Приготовленный заданный объем пластифицированного НРВ-80 (5) помещался в цилиндр (1), после этого прибор устанавливался между плитами пресса и при помощи штока (2) создавался начальный распор. При кристаллизации вещества происходило его саморасширение, в результате чего оказывалось давление на шток. Измерение давления производилось при помощи динамометра ДОСМ-3-5, установленного между штоком и верхней плитой пресса. Контроль смещений штока проводили при помощи индикатора часового типа с точностью до 0,01мм.
Была проведена серия испытаний, целью которых было установление режима работы НРВ-80 при разных величинах допустимой объемной деформации. В лабораторных условиях различные объемные перемещения задавались изменением величины зазора между веществом и штоком. Регулирование зазора производилось путем установки между цилиндром и штоком набора контрольных шайб. Результаты иссле-дований приведены в виде графиков на рис. 6, 7.
Также было проведено испытание вещества в свободном состоянии. Анализ результатов проведенных исследований позволяет сделать следующие выводы:
1. При работе в условиях одноосного сжатия за счет своего саморасширения; (без начальной нагрузки) материал развивает давление до 6 МПа.
2. При возможности свободного де-формирования происходит снижение эффективности работы НРВ. Так при допустимом начальном объемном деформировании 42,5% материал не раз-вивает давления больше 0,5МПа.
3. В условиях свободного объемного расширения материал способен увеличиваться в объеме до 300%, однако кристаллизация его в этом случае не происходит, после отвердевания материал представляет собой порошок.
3. В условиях свободного объемного расширения материал способен увеличиваться в объеме до 300%, однако кристаллизация его в этом случае не происходит, после отвердевания материал представляет собой порошок.
На основании сравнения получен-ных результатов лабораторных исследований с результатами аналитического решения (1) можно сделать вывод, что создаваемое при саморасширении исследуемого материала давление (до 6 МПа) более чем в 20 раз превосхолит минимально необходимое (рис. 3) и яв-ляется достаточным для создания рас-пора в разрушенных породах. Вышеска-занное позволяет сделать вывод о воз-можности применения НРВ-80 для упрочнения массивов разрушенных гор-ных пород.