УДК 622.831

Н.Н. Малышева (аспирант)

И.Г. Сахно (канд. техн. наук.)

Донецкий национальный технический университет, Донецк

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХРАНЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ЗА СЧЕТ АКТИВНОГО РАСПОРА ОХРАННОГО СООРУЖЕНИЯ

В статье на основе критического анализа литературных источников и патентного поиска опреде­ленно перспективное направление повышения устойчивости горных выработок, которые охраняются за лавой, с помощью ускорения момента включения в работу охранного сооружения. Предложены способы практической реализации указанного направления.

Ключевые слова: способ охраны, несущая способность, смещения, саморасширяющийся

раствор.

Единственным путем энергетического выживания страны в сложившейся критической ситуации, вызванной мировыми экономическими тенденциями роста цен на энергоносители и недостатком собственных ресурсов нефти и газа, является интенсификация добычи угля. Анализ состояния угольной отрасли показывает, что, из добытых 72,3 млн. т/год, 32% добычи обеспечивается 10 из 239 угольных предприятий. Большинство шахт являются не рентабельными. Одним из важней­ших вопросов, стоящих перед шахтами, является снижение непроизводственных затрат. Работы, связанные с поддержанием горных выработок и восстановлением их эксплуатационного состояния, присущи как передовым, так и отстающим пред­приятиям отрасли. При этом поддержание выработок, эксплуатирующихся после прохода очистного забоя, является одной из актуальных и нерешенных до сих пор проблем. Таким образом, одним из перспективных направлений повышения эффе­ктивности работы шахт является модернизация существующих способов охраны и поддержания горных выработок после прохода очистного забоя.

Анализ существующих способов охраны выработок показал, что к традици­онно используемым способам относятся: бутовые полосы, охранные полосы из бу- токостров или БЖБТ, литые полосы. Все эти способы, как жесткие, так и податли­вые, имеют общий недостаток: они не оказывают сразу после возведения активно­го сопротивления смещениям пород кровли и включаются в работу только после реализации некоторых ее смещений.

Так, например, бутовая полоса включается в работу по предотвращению смещений пород кровли после формирования несущего ядра, что происходит при ее усадке от первоначальной высоты на 15-50% при ширине полосы от 6 до 2 мощ­ностей пласта [2]. Для того чтобы охранная полоса из БЖБТ включилась в работу необходимо, чтобы породы кровли опустились на 2-5 см - величину зазора между верхней деревянной прокладкой БЖБТ и кровлей. Говорить о том, что литая поло­са включилась в работу можно после того, как она набрала прочность, по крайней мере, равную прочности вынятого пласта (10-15 МПа). Данную прочность матери­ал полосы набирает в течение 10-7,5 суток, при этом лава при скорости подвигания очистного забоя 1-8 м/сут проходит 60-10 м [3].

Анализ литературы и патентный поиск показали, что в горной практике бы­ли попытки исключить этот недостаток.

Первым примером может служить способ охраны подготовительных выра­боток при разработке пластовых полезных ископаемых [4], который включает воз­ведение двухслойной бутобетонной полосы расчетной ширины с возведением ни­жнего слоя (бутовой полосы) высотой, равной 80-90 % мощности пласта, и верхне-

© Малышева Н.М., Сахно 1.Г., 2012

го слоя - заполнением свободного пространства между бутовой полосой и кровлей пласта саморасширяющимся быстротвердеющим раствором. Недостатком способа является то, что технология возведения верхнего слоя из саморасширяющегося быстротвердеющего раствора не предусматривает наличия какой-либо изолирую­щей перемычки между слоями, это ведет к перерасходу бетонного раствора, что обусловлено его поглощение нижним слоем, а во время и после его саморасшире- ния - к неуправляемому давлению на бутовую полосу и контактирующие с ним породы кровли, отсутствию начального распора охранного сооружения верхним слоем, что приводит к увеличению времени включения в работу охранного соору­жения.

Вторым - способ охраны подготовительных выработок [5], включающий во­зведение вдоль выработки на границе с выработанным пространством от почвы границы до ее кровли охранной полосы путем установки опалубки и заполнения ее закладочным материалом, отличающийся тем, что с целью повышения эффектив­ности охраны выработки за счет улучшения контакта полосы с кровлей в процессе заполнения опалубки в закладочном материале периодически размещают секцион­ные оболочки, в которые, после частичного затвердевания закладочного материа­ла, подают под давлением сжатый воздух, при этом давление в оболочках поддер­живают до окончательного набора прочности закладочным материалом, после чего давление в секционных оболочках снимают и заполняют их материалом с прочнос­тью меньшей прочности затвердевшего материала. Недостатком способа является то, что при его реализации для улучшения контакта полосы с кровлей и заполне­ния зазора возникающего в результате недоливки и усадки закладочного материа­ла, например на 10% на 1 квадратный метр площади поперечного сечения полосы диаметр заполненой сжатым воздухом оболочки должен составлять 40% от площа­ди полосы, что снижает несущую способность возводимого охранного сооружения, из-за наличия в нем полостей, и не обеспечивает устойчивость охраняемой подго­товительной выработки. Способ не оказывает сопротивления процессу расслоения сразу после его сооружения, так как его несущая способность достигается после затвердевания закладочного материала, что способствует расслоению пород над охранной полосой и не обеспечивает устойчивость охраняемой подготовительной выработки.

Третьим - способ поддержания сопряжения выработанного пространства с подготовительной выработкой [6], включающий после выемки пласта возведение на сопряжении полосы охранного сооружения с установкой по ее бокам распорной крепи, отлючающийся тем, что, с целью снижения затрат на поддержание вырабо­тки и повышения безопасности работ, перед возведением полосы охранного соо­ружения осуществляют посредством распорной крепи равномерное вдавливание в горный массив приконтурных слоев пород кровли с усилием 1500-3000 кН на 1 м возводимого охранного сооружения, величину которого поддерживают до оконча­ния возведения охранного сооружения. Недостатком способа является то, что при его реализации секции распорной крепи кинематически связаны с лавным кон­вейером при том, что вдавливающий распор крепи сохраняют до окончания отвер­ждения смеси. Это означает что скорость движения лавы связана со скоростью отверждения смеси. Даже если в качестве смеси будет использоваться, например, БИ-крепь, которая достигает прочности 16,7 МПа по прошествии 4 суток [7], и возведение полосы будут осуществлять на участке длиной, равной длине сек­ции крепи (приблизительно 4-5 м), то скорость движения лавы будет составлять 0,8-1 м/сут, что при использовании современных механизированных комплексов и отсутствии других ограничений не рационально.

Данные способы не нашли широкого применения и остались на уровне тех­нических и инженерных решений, из-за их многооперационности, нетехнологич- ности, ограниченной области применения и низкой эффективности.

Авторами предлагается идея создания такого охранного сооружения, кото­рое бы выполняло две функции: включалось в работу в течение суток и имело бы оптимальную несущую способность при любых горно-геологических условиях.

Первым примером практической реализации указанной идеи может быть двухслойное охранное сооружение, нижний слой которого представлен охранным сооружением, рекомендуемым [1] в заданных горно-геологических условиях, а верхний - секционными оболочками, которые укладывают на нижний слой и запо­лняют саморасширяющимся быстротвердеющим раствором. При этом заливку оболочки прекращают после достижения ее распора между нижним слоем и кров­лей, после этого производят герметизацию оболочки установкой зажимного уст­ройства [8].

 

Рис. 1. Способ охраны подготовительной выработки с помощью двухслойного охранного соо­ружения: 1 - нижний слой охранного сооружения, 2 - секционная эластичная оболочка,

3 - саморасширяющийся быстротвердеющий раствор, 4 - кровля

Способ реализуется следующим образом. На сопряжении очистного забоя с подготовительной выработкой возводится нижний слой охранного сооружения, например бутокостры. На поверхность бутокостров параллельно друг другу вык­ладываются секционные эластичные оболочки, представляющие собой прорези­ненные рукава, снабженные загрузочным клапаном для заливки саморасширяюще- гося быстротвердеющего раствора. В оболочки заливают саморасширяющийся бы­стротвердеющий раствор, в качестве которого может применяться неорганическое гидравлическое вяжущее вещество с ускорителем твердения с добавлением невз­рывчатого разрушающего материала. Заливку прекращают после распора оболочки между нижним слоем охранного сооружения и кровлей. После этого производят герметизацию оболочки установкой зажимного устройства.

Твердение саморасширяющегося раствора, заключенного в оболочку, проис­ходит в условиях ограниченного расширения, что приводит к активному распору охранного сооружения между кровлей и почвой, что позволяет включить его в ра­боту по предотвращению расслоений пород на участке сопряжения в течение вре­мени набора прочности вяжущим.

Также авторами была предложена конструкция охранного сооружения, ко­торая включает установку опалубки, заполнение ее закладочным материалом, и принудительный распор закладочного материала, способствующий включению охранного сооружения в работу. Для создания распора закладочного материала в процессе заполнения опалубки в охранном сооружении периодически размещают цилиндрические секционные оболочки, в которые после заполнения опалубки по­мещают саморасширяющийся при твердении материал. При этом, в зависимости от горно-геологических условий [1], в качестве опалубки может быть использована полость, полученная в результате отшивки деревянных стоек доской (рис. 2), ме­таллическая цилиндрическая обойма (рис. 3), полость внутри костровой крепи и т.п. [9].

 

 

Способ реализуется следующим образом. На сопряжении очистного забоя с подготовительной выработкой, возводят опалубку. В опалубку помещают закладо­чный материал, в качестве которого целесообразно использовать рядовую породу. По мере закладки опалубки в нее помещают циллиндрические секционные оболоч­ки, способные увеличиваться в объеме до 1,5 раз, наполненные невзрывчатым раз­рушающим материалом. В качестве невзрывчатого разрушающего материала мо­жет применяться НРВ-80, выпускаемый промышленностью Украины.

Гидратационное твердение невзрывчатого разрушающего материала в обо­лочке приводит к росту его объема и, соответственно, сжатию и уплотнению за­кладочного материала. Происходит уменьшение пустот в закладочном материале, увеличение его жесткости, а, следовательно, и несущей способности охранного со­оружения. Максимальное давление на закладочный материал, а, следовательно, максимальная несущая способность охранного сооружения достигается в течение периода гидратации порошка НРС, как правило, в течение 24 часов.

Реализация предлагаемых способов охраны подготовительных выработок позволит обеспечить устойчивость охраняемой подготовительной выработки за счет создания активного противодействия расслоениям пород кровли над охран­ным сооружением.

Дальнейшие исследования будут направлены на изучение механизма работы предложенных способов охраны, что позволит сформулировать рекомендации по выбору их параметров в конкретных горно-геологических условиях.

Список литературы

1.                    Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на уго­льных шахтах СССР. - изд. 4-е, доп. - Л., 1986. - 222 с. (М-во угольной пром-сти СССР. Всесоюз. ордена Трудового Красного Знамени науч.-исслед. ин-т горн. геомех. и маркшейд. дела).

2.                    Макеев А.Ю. Обоснование рациональных параметров технологии возведения породных опор при безлюдной скрепероструговой выемке. Дисс. канд. техн. наук: 05.15.02 / А.Ю. Макеев. - Донецк, 1989. - 211 с.

3.                    Синтез комбинированных охранных систем для поддержания подготовительных выработок в сложных горно-геологических условиях / А.В. Агафонов, О.Д. Кожушок, Е.Н. Халимендиков, Л.В. Про- хорец // Геотехническая механика. - 2008. - Вып. 78. - С. 73-86.

4.                    Спос1б охорони шдготовчих виробок при розробщ пластових корисних копалин: Пат. № 59991А, МПК7 Б21Р15/00 / А.Ф. Булат, В.Г. Перепелиця, О.М. Колом1ець, (Украина). - 2003010091; за- явл. 03.01.2003, опубл. 15.09.2003; Бюл. №9. - 2 с.: ил.

5.                    Способ охраны подготовительных выработок: Пат. №1719645А1, МПК5 Е2Ш11/00, Б21Р15/00 / Г.Д. Лезин, М.М. Сыздыков, Е.К. Сакенов, А.И. Герцен, (СССР). - 4823523/03; заявл. 07.05.1990, опубл. 15.03.1992; Бюл. №10. - 4 с.: ил.

6.                    Способ поддержания сопряжения выработанного пространства с подготовительной выработ­кой: Пат. №1010279, МПК3 Е21Б13/02 / И.Л. Черняк, Ю.И. Бурчаков, И.М. Иофис, Е.М. Серебреняк, (СССР). - 3302726/22-03; заявл. 18.06.1981, опубл. 07.04.1983; Бюл. №13. - 3 с.: ил.

7.                    Борщевский С.В. К вопросу о геомеханических принципах и совершенствовании технологии комплексного поддержания повторно используемых выемочных штреков / С.В. Борщевский, О.Д. Ко­жушок // ЮРГРУ. Сборник научных трудов. Перспективы развития Восточного Донбасса. - Новочер­касск, 2008. - Ч. 1. - С. 390-397.

8.                    Спос1б охорони п1дготовчо1 виробки: Пат. №52335, МПК(2011.01) Е21Р15/00 / М.М. Касьян, 1.Г. Сахно, Н.М. Малишева, (Украша). - и 2010 01482; заявл. 25,08.2010, опубл. 12.02.2010; Бюл. №16. - 3 с.: ил.

9.                    Спос1б охорони шдготовчих виробок: Пат. №65441, МПК(2011.01) Е21Б11/00, Е21Б15/00 / 1.Г. Сахно, Н.М. Малишева, (Украина). - и 2011 04881; заявл. 12.12.2011, опубл. 19.04.2011; Бюл. №23. - 6 с.: ил.