УДК 622.833.5:39.219.2:622.33.012.2

Увеличение протяженности поддерживаемых выработок сопровождается приростом их неудовлетворительного состояния, достигающего в Донецком бассейне 40%. Более половины ежегодно ремонтируемых выработок — это выработки, где ведется подрывка почвы.

Наличие преимущественно слабых пород (5— 20 МПа) обусловливает на шахтах Западного Донбасса пучение почвы, основной способ борьбы, с которым—подрывка пород (до 200 км в год). Уменьшение пучения достигнуто при использовании замкнутой крепи типа КМП с креплением обратного свода [I].

Однако при заложении выработок на глубине более 300 м пучение усиливается в 2,5—3 раза и достигает 1,1—1,2 м в год, причем период его затухания сопоставим со сроком службы выработок. В этих условиях крепление обратного свода исчерпывает податливость за 4—6 мес, под действием шахтных вод интенсифицируется коррозия металла и при влиянии очистных работ крепь разрушается через 3—9 мес. Периодическая подрывка почвы ускоряет деформирование постоянной крепи, что требует ее восстановления. Анализ поддержания выработок на шахтах объединения Павлоградуголь, ведущих работы на глубине более 300 м, показал [2], что применяемые способы борьбы с пучением (механизированная подрывка пород и крепление обратного свода) недостаточно эффективны.

Учитывая, что в Западном Донбассе около 75% поддерживаемых выработок имеет срок службы более 10 лет, вопросы снижения отрицательного влияния пучения преимущественно актуальны для основных выработок (квершлагов и магистральных штреков). За период, 1982—1986 гг. по предложениям различных организаций проведены испытания известных способов борьбы с пучением (камуфлетной разгрузкой с заполнением полости ингибитором гидротации, выбуриванием скважин в боках выработки, активной разгрузкой и последующим упрочнением пород). Установлено, что их эффективность для слабых пород существенно снижается и не обеспечивает удовлетворительного состояния выработок. Поэтому разработка способов борьбы с пучением пород в данных условиях весьма актуальна.

Обобщение результатов исследований механизма пучения пород и результатов испытаний способов охраны выработок позволило сделать вывод, что использование одного из способов борьбы с пучением в отдельности не может обеспечить удовлетворительного состояния выработок. Решение вопроса борьбы с пучением — комбинированное применение способов охраны в зависимости от условий поддержания выработок: при проходке одиночной выработки, непродолжительном действии повышенных напряжений и развивающемся разрушении пород—проведением вертикальной компенсационной щели в почве; при поддержании выработки в массиве или целике с учетом интенсивного разрыхления пород почвы и боков и пониженных напряжений на контуре—совместным упрочнением пород. При влиянии очистных работ пучение почвы не является определяющим и лишь частично ухудшает устойчивость выработки, поэтому его уменьшение возможно в порядке кардинального повышения устойчивости участка породного массива (исключением активного влияния очистных работ на выработку либо его компенсацией, например, с помощью параллельной разгрузочной выработки).

Анализ показал, что наиболее сложно реализуется способ упрочнения слабых пород, так как они в Западном Донбассе представлены в основном аргиллитами прочностью 7—24 МПа и алевролитами прочностью 5—21 МПа, для которых традиционные способы упрочнения неэффективны. Лабораторными испытаниями и обследованием обнажении установлено распространение скрытых плоскостей ослабления в напластовании (до 20 на 1 м) и преимущественное наличие вокруг выработок трещин с раскрытием не более 2 мм (около 60%) в почве и боках, что снижает прочность пород в 2—2,5 раза, а в итоге — прочность породного массива. Как следствие, предельное состояние массива в рассматриваемых условиях вызвано, во-первых, отсутствием роста прочности вмещающих пород на достигнутых глубинах из-за структурной нарушенности, во-вторых, действием геостатических напряжений сравнительно небольшой величины (7,5—12,5 МПа). Эти результаты позволили предложить и разработать способ упрочнения пород с использованием давления взрывных газов для нагнетания твердеющего раствора [3]. Шахтными исследованиями на указанных шахтах выявлено, что величина пучения почвы через год после проведения выработки достигает 0,6—1,1 м, что при установившейся скорости пучения 1—2 мм/сут составит только 14% от величины подъема пород за 10 лет эксплуатации в 75% поддерживаемых выработок, причем без учета интенсификации пучения после каждой подрывки почвы. Это предопределило необходимость проведения широких испытаний способа упрочнения пород для условий длительно поддерживаемых выработок.

Опытная апробация упрочнения взрывонагнетанием осуществлена на шахте им. Героев космоса в забое восточного магистрального штрека № 1 горизонта 350 м. Выработка полевая, массив сложен аргиллитами прочностью 8—14 МПа и мощностью более 7 м. В почве на глубине 0,8—1,2 м от подошвы штрека залегает пласт сц мощностью 0,8—1 м, прочность угля на сжатие 18—24 МПа. Площадь сечения выработки вчерне 16 м², всвету 13,8 м² (до осадки), крепь КМП-АЗ из СВП-27 и СВП-33, плотность установки—2 рамы на 1 м, межрамное ограждение— железобетонная затяжка, закрепное пространство заполнено фосфогипсовым вяжущим составом. Способ проходки комбайновый со скоростью 3 м/сут. Для изучения результатов упрочнения пород взрывонагнетанием в породном забое производили камуфлетное взрывание различных ВВ в шпурах, заполнение твердеющими растворами взрывных полостей и повторное взрывание в них зарядов до начала схватывания раствора. При дальнейшем проведении выработки вскрыли взрывные полости. Подтверждена работоспособность технологии взрывонагнетания по заполнению трещиноватости и выбран магнезиальный вяжущий раствор как наиболее приемлемый по сохранению свойств схватывания и сцепления с породами при взрывонагнетании. В этой же выработке выполнены сопоставительные испытания упрочнения почвы взрывонагнетанием и активной разгрузкой с последующим упрочнением пород по известной технологии Коммунарского горно-металлургического института. Длина экспериментального участка 100 м, работы выполнялись с отставанием от забоя на 12—22 м. Через 400 сут пучение почвы составило 350—450 мм, что на 24—31 % меньше, чем на участке активной разгрузки и последующего упрочнения пород. Относительное снижение скорости пучения на экспериментальном участке по сравнению с контрольным произошло только через 100 сут, а установившаяся скорость подъема пород уменьшилась до 0,2—0,25 мм/сут. Несмотря на снижение величины пучения почвы на 250—300 мм, значимого положительного эффекта не достигнуто. Это является следствием продолжающегося интенсивного разрушения пород в зоне упрочнения, отчего упрочнение почвы в забое выработки для данных условий нецелесообразно. Вскрытие пород на экспериментальном участке произведено при подрывке почвы для установки крепи обратного свода. Изучение забоя показало, что породы состоят из сцементированных обломков при устранении слоистости, раствором заполнено около 28—37% площади обнажения по нормали к напластованию в виде прожилок толщиной 1—3 мм через 3—15 мм. Радиус распространения раствора 1,2— 1,4 м, прочность отобранных образцов в 1,5 раза выше прочности исходной породы в зависимости от насыщенности ее раствором. Для выявления оптимальной плотности шпуров произведено упрочнение почвы в откаточном квершлаге горизонта 480 м на шахте им. Ленинского комсомола Украины. Выработка площадью сечения 15,5 м² всвету закреплена крепью КМП—A3 из СВП-33, плотность—2 рамы на 1 м, межрамное ограждение— железобетонная затяжка, закрепное пространство заполнено песчано-глинисто-цементным составом. Вмещающие породы представлены переслаивающимися алевролитами и аргиллитами мощностью до 5 м, тонкослоистыми, слюдистыми прочностью 14—18 МПа (в среднем 15,5 МПа). За полтора года поддержания сделано 2 подрывки почвы на общую глубину 1 м. Интенсивность пучения до выполнения работ была 0,45—1,2 мм/сут и в период наблюдений сохранялась постоянной.

Упрочнение почвы взрывонагнетанием магнезиального вяжущего раствора выполнено на участке ной 80 м, В связи с интенсивной трещиноватостью вспученных пород предварительное камуфлетное взрывание не производили, после заполнения раствором шпуров и трещин взрывались заряды угле Э-6 (по 0,2 кг на шпур), затем взрывные полости повторно заполнялись раствором. В сечении располагалось 7—8 шпуров глубиной 1,8 м (вертикаль и 2,5 (наклонные под борта). Ряды шпуров 1 м (участок 25 м длиной), через 1,5 м (20 м) через 2 м (25 м). Расход раствора на 1 м длины выработки при заполнении шпуров инъектированием ставил 0,2—0,,3 м³, при расположении рядов 1 м — 0,5 м³, через 1,5 м — 0,27 м³. Для дальнейших испытаний принята плотность положения через 1 м.

За период наблюдений (около 400 сут после выполнения работ) установлено, что скорость подъеме вы составила 0,1—0,25 мм/сут при расположение шпуров через 1 м; 0,3—0,4 мм/сут—через 1 0,41—0,7 мм/сут—через 2 м. Таким образом, скорость пучения при упрочнении почвы снижается, в 2,5—3 раза, если шпуры расположены через и в 1,5—1,7 раза, если через 1,5 м. Влияние упрочнения пород не зафиксировано при шаге 2 м. Bоздействие взрывных работ контур подошвы поднимало на 25—35 мм.

За истекший период на контрольном участке проведена подрывка почвы в среднем на 0,6 м. Оптимизация параметров схемы, глубины шпуров оставлена в результате испытаний в западном магистральном откаточном штреке № 1 горизонта 4 шахты им. Ленинского комсомола Украины. Выработка пройдена с пересечением пласта C₃ мощностью 0,8 м, вмещающие породы представлены горизонтально-слоистым аргиллитом (15—21 Л с прослоями алевролита, в почве залегают аргиллиты и алевролиты мощностью комковатой текстуры, трещиноватые, прочно 11—17 МПа. Средства крепления аналогичны меняемым в откаточном квершлаге. За 9 лет поддержания выработка дважды подвергалась одностороннему влиянию очистных работ (8 лет и 3 года зад). Ширина оставленного целика 175 м. Выработка неоднократно перекреплялась (последний в 1987 г.), производилась подрывка почвы 2 в год на 0,8—1,2 м. Для уменьшения интенсивности продолжающегося пучения (1,2—1,8 мм/сут) полнено совместное упрочнение пород почвы взрывонагнетанием и боков инъектированием магнезиального вяжущего раствора на участке длиной. Вследствие уменьшения фактической площади сечения выработки от 12,8 до 8,5 м² по длине участка глубина шпуров составила 3 м (на 30 м выработки 2,5 м (на 20 м) и 1,8 м (на 20 м). В пределах сечения штрека бурилось 7—6—5 шпуров одинаковой длины, из них 3—2—1 вертикальных и 4 наклонных с чередованием в боках и под борта выработки. Нагнетание раствора в шпуры, пробуренные в велось параллельно с заполнением шпуров в после взрывонагнетания. Расход раствора , 0,58 м³ на 1 выработки.

За 300 сут после выполнения работ установлено, скорость пучения на контрольном участке в процессе наблюдений уменьшилась и составляет 0,5— мм/сут; после совместного упрочнения пород почвы и боков скорость подъема почвы при глубине шпура 3 м составила 0,2—0,28, при 2,5 м—0,1—0,2, при 1,8 м—0,3—0,4 мм/сут, при заполнении шпуров без взрывонагнетания — 0,3—0,5 мм/сут; скорость пучения пород при глубине шпуров 3 м снизилась в 2,3—2,7 раза, при 2,5м—в 4,6—3,7 раза, при 1,8 м—в 1,5—1,9 раза. На контрольном участке произведены две подрывки почвы на общую величину около 1,8 м.

Испытания способа совместного упрочнения пород почвы взрывонагнетанием и боков анкерованием при влиянии очистных работ выполнены в восточном магистральном откаточном штреке № 1 горизонта 480 м шахты им. Ленинского комсомола Украины. Выработка проведена с пересечением пласта C₁₁ мощностью 1 м, трещиноватого, прочность угля 25—31 МПа, вмещающие породы представлены алевролитом прочностью 17—26 МПа, горизонтально-слоистым с углистыми прослоями, в почве залегает алевролит (0,8—1,5) комковатой текстуры, с зеркалами скольжения, прочностью 14—18 МПа, основная почва — аргиллит массивного сложения, не трещиноватый, прочностью 22—27 МПа. Средства крепления аналогичны указанным ранее. За 10 лет поддержания выработка дважды подвергалась одностороннему влиянию очистных работ (7 лет и 4 года назад). Ширина оставленного целика 150—170 м. Выработка неоднократно перекреплялась (последний раз в 1988 г.), и производилась подрывка почвы на 1 м с частотой 2 раза в год. Начальная скорость пучения пород 0,68—1,9 мм/сут. Длина экспериментального участка 80 м. Предварительно до начала работ по упрочнению почвы установлены арматурные анкеры в боках выработки (по 4—8 шт. на раму через 1 м). Длина анкеров 3 м, диаметр 32 мм, закреплены они по способу, описанному в работе [4], в забое шпура патронированным раствором (по 3—4 химампулы на анкер), хвостовая часть парных анкеров крепилась с помощью фигурной планки и гаек к стойке крепи на высоте 0,5; 1 и 1,5 м.

Для упрочнения почвы взрывонагнетанием бурились 8 шпуров на глубину 2,5 м. При упрочнении пород опробовано уменьшение зарядов ВВ (0,07—0,1 кг на шпур), без заряжания вертикальных шпуров по центру выработки с заряжанием на глубину более 1,5 м. Расход раствора составил 0,56—0,83 м³ на 1 м выработки.

За период наблюдений (около 300 сут после выполнения работ) установлено: скорость пучения пород на контрольном участке увеличилась до 1,7—4,25 мм/сут под влиянием очистных работ в лаве, остановленной через 60 сут после окончания работ по упрочнению на расстоянии 140 м; скорость подъема почвы после упрочнения 0,25— 0,5 мм/сут (при исходной скорости пучения до 2,5 мм) и 0,6—0,9 мм/сут (при исходной более 2,5 мм); под влиянием очистных работ скорость подъема упрочненных пород увеличилась до 0,5—0,9 мм/сут (в 1,5—2 раза); скорость пучения почвы при совместном упрочении пород почвы взрывонагнетанием и боков анкерованием снизилось в 2,7—6 раз, при влиянии очистных работ — в 3—4,7 раза. Влияние изменения величины заряда ВВ не установлено. На контрольном участке выполнено 2 подрывки почвы на общую величину 1,6 м.

Достаточный объем проведенных испытаний в различных горно-геологических и горнотехнических условиях позволяет обобщить результаты и определить область применения способа упрочнения пород. Способ достаточно эффективен по степени снижения скорости пучения почвы (в 2,5—4,7 раза), получаемые скорости подъема контура подошвы (0,1— 0,3 мм/сут) обеспечивают паспортное состояние почвы на 2,5 года (5 лет) для откаточных (конвейерных) магистральных выработок. Период безремонтного поддержания 6—8 лет.

Экономия средств на поддержание 1 м выработки составила при упрочнении почвы — 11,7 р., при совместном упрочении почвы и боков 32,6 р., при совместном упрочнении пород почвы и анкеровании боков 51,4 р. Фактический годовой экономический эффект 10,3 тыс. руб.

Межведомственная комиссия рекомендовала способ к использованию. Область его целесообразного применения — основные и магистральные выработки со сроком службы не менее 10 лет, проведенные в условиях геомеханической устойчивости массива до 1 при прочности вмещающих пород более 14 МПа, интенсивности пучения почвы не более 2,5 мм/сут (75 мм/мес). Выполнение способа целесообразно не ранее, чем через 3—4 мес после проведения выработки, и вне зоны активного влияния очистных работ. Рекомендуемые показатели способа: плотность бурения шпуров не более 1 м, глубина шпуров не менее 0,75 м от ширины выработки вчерне, количество шпуров на 1 м² почвы не менее 1, расход раствора не менее 0,1 м³ на 1 м² поверхности выработки. Эффективность способа с увеличением прочности вмещающих пород возрастает.

1. Опыт разработки угольных пластов и крепления горных выработок на шахтах Западного Донбасса / Л. Ф. Зорин, В.'В. Давыдов, В. Ф. Харитонов, Г. Л. Зорин.—М., 1986.—45 с.—(Обзор. информ. / ЦНИЭИуголь).

2. Пирский А. Д., Стовпник С. Н., Шмиголь А. В. Технико-экономическая оценка ущерба от пучения пород на шахтах Западного Донбасса // Уголь Украины.— 1988.—№ 7.—С. 15—16.

3. А. с. 1462893 СССР, МКИ⁴ Е 21 Д 11/00. Способ упрочнения пород.

4. Выгодин М. А., Евтушенко В. В. Облегченные металлоанкерные крепи горных выработок шахт Западного Донбасса // Шахтн стр-во— 1987.— № 7— С. 23—25.