Лабораторные исследования работы невзрывчатых разрушающих веществ при упрочнении массивов разрушенных горных пород

УДК 622.016.3.112.3
студ. Овчинников С.Ф., к.т.н., доц. Сахно И. Г.
Донецкий национальный технический университет

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 осуществляется 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 породного 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=3 м, В=2 м, l=0,025 МН/м³ показаны на (рис. 3).


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 0,01 мм. 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 деформирования происходит снижение эффективности работы НРВ. Так при допустимом начальном объемном деформировании 42,5 % материал не развивает давления больше 0,5 МПа. 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 полученных 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 является достаточным для создания рас-пора в разрушенных породах. Вышесказанное позволяет сделать вывод о возможности применения НРВ-80 для упрочнения массивов разрушенных горных пород.

1. Л.В. Ершов, Л.К. Либерман, И.Б. Нейман «Механика горных пород» – М.: Недра, 1987. – 192 с.
2. Касьян Н.Н., Негрей С.Г., Сахно И.Г. О влиянии механического отпора выдавливанию пород почвы горных выработок на их смещения // Разработка рудных месторождений. – 2004.– Вып. 87. – С. 28–29.