УДК 600.М6Р.0Р

И. Г. САХНО, канд. техн. наук, доцент, ДонНТУ, г Донецк НЕВЗРЫВНОЕ РАЗРУШЕНИЕ НЕГАБАРИТНЫХ БЛОКОВ В ОЧИСТНОМ ЗАБОЕ

Предложен способ повышения эффективности невзрывного разруше­ния горных пород, за счет предварительного сжатия невзрывчатых раз­рушающих средств в шпуре. Приведена методика расчета параметров способа и представлены результаты его опытно-промышленной проверки.

Ключевые слова: негабаритный блок, невзрывчатый разрушаю­щий состав, предварительное сжатие, гидратация, разрушение.

Ведение очистных работ в условиях неустойчивых пород непосредст­венной кровли, местах геологических нарушений, зонах размывов и ло­кальных ослаблений связано с вывалами из кровли. Размеры зон вывалов определяются трещиноватостью пород, технологией крепления лавы, си­ловыми и конструктивными характеристками крепи и т.д. В качестве спо­собов укрепления неустойчивых пород в основном используются анкеро- вание и упрочнение химическими составами. Эти мероприятия применя­ются в случаях обрушений пород из кровли значительных масштабов. Од­нако, практика ведения горных работ показывает, что локальные вывалы из кровли за время отработки выемочного столба происходят практически во всех лавах, независимо от горно-геологических и горнотехнических усло­вий. Обрушенные породные блоки, как правило, разрушают механическим способом с помощью исполнительного органа комбайна, отбойных молот­ков или участковых дробилок, установленных на конвейере лавы. При этом, как правило, работы по разрушению негабарита и добыче угля не со­вмещаются. В случаях, когда вывал произошел перед комбайном и негаба­ритный блок мешает его перемещению, а также после прохода комбайна, когда ликвидация негабарита не может быть произведена в достаточно сжатые сроки, для сокращения простоев лавы обрушенный блок убирают с конвейерной линии и продолжают работы по выемке, при этом параллель­но производя ликвидацию негабарита с помощью отбойных молотков. В ряде случаев при развитии вывалов из пород кровли с прочностью на од­ноосное сжатие более 50-60МПа разрушение обрушенных блоков пород механическим способом достаточно сложно, требует значительных вре­менных и трудовых затрат. В этих случаях ликвидация негабаритов может

© И. Г. Сахно, 2011

производиться взрывным способом шпуровыми зарядами или накладными кумулятивными зарядами. Однако при этом выдвигаются определенные дополнительные требования безопасности, связанные с пылегазовым ре­жимом, склонностью пластов к ГДЯ, близостью оборудования очистного забоя, стесненностью рабочего пространства лавы.

Таким образом, в свете вышесказанного актуальным является вопрос разрушения негабаритных блоков пород высокой прочности в условиях очистных забоев без динамического воздействия и значительного повыше­ния температуры. При этом время разрушения должно быть таким, чтобы ликвидация негабарита не сдерживала процессы основного технологиче­ского цикла.

Целью исследований является разработка способа разрушения нега­баритных блоков в очистном забое невзрывным разрушением.

Одним из перспективных направлений решения поставленного вопро - са является применение статических методов разрушения горных пород. В настоящее время разработано множество способов невзрывного разруше­ния, в частности, механические методы (клиновой, гидроклиновой, алмаз­но-канатное пиление, камнерезные буровые установки и комбайны), мето­ды основанные на энергии жидкости (гидродинамический, физико­химический импульсный разрыв, гидроудар, гидрорезание, флюидораз- рыв), тепловые (терморезка), электрические и электромагнитные (взрыва­ние электрических проводников, электрический пробой, тепловой пробой, токами высокой частоты, плавлением, лазерным излучением, электромаг­нитным излучением), комбинированные методы. Большинство этих мето­дов находятся на стадии научно-исследовательских и проектных разрабо­ток. Их промышленное использование, особенно в условиях подземных горных выработок, сдерживается отсутствием специального оборудования, малой надежностью, высокой энергоемкостью, опасным воздействием на человека, высокой стоимостью.

Одним из перспективных направлений статического разрушения гор­ных пород является использование невзрывчатых разрушающих составов (НРС). Основными недостатками, сдерживающими широкое применение НРС, являются: длительное по сравнению со взрывным способом время разрушения, недостаточное усилие расширения, что вызывает большие за­траты на бурение, ограниченный диапазоном +5 - +25 ⁰С температурный режим работы, что сужает область применения способа. При использова­нии традиционных отечественных смесей НРС (НРС-1, НРВ-80) время разрушения составляет 8-24 часа [1, 2], что практически полностью сводит к нулю привлекательность способа в условиях шахт.

В последнее время в ДонНТУ ведется работа, направленная на расши­рение области применения НРС, в частности использование их в условиях подземных горных выработок. При этом основной задачей является сокра­щение времени разрушения и одновременно исключение явления самопро­извольного выброса НРС из шпура. Для решения этой задачи автором про­водятся комплексные исследования кинетики саморасширения НРС на ос­нове оксида кальция.

Анализ патентной литературы показывает, что традиционно управле­ние скоростью реакции гидратации осуществляется путем добавления ус­корителей, замедлителей и пластификаторов. Добавление ускорителей в основном рекомендуют при разрушении материалов в условиях низких температур и их действие в большинстве случаев сводится к дополнитель­ному повышению температуры смеси в жидкой фазе раствора НРС за счет дополнительного выделения тепла в процессе реакции ускорителя с окси­дом кальция и водой. Применение химических ускорителей, основанных на принудительном повышении температуры НРС, приводит к повышению скорости гидратации в процессе приготовления смеси, что сокращает вре­мя на формирование шпурового заряда, а кроме того, в условиях положи­тельных температур, приводит к скачкообразному росту температуры сме­си, ввиду экзотермичности реакции гидратации оксида кальция, что вызы­вает непроизвольный выброс смеси из шпуров. Таким образом, сущест­вующими способами разрушения с помощью НРС достичь сокращения времени разрушения пород в условиях высоких положительных темпера­тур при одновременном исключении «вышпуривания», достаточно сложно.

Одним из путей, позволяющих решить поставленную задачу, является ограничение объемных изменений состава, так как величина возникающе­го самонапряжения НРС обратно пропорциональна коэффициенту его объ­емного расширения [3]. Это может достигаться на практике путем герме­тизации шпуров с НРС. Проведенные автором лабораторные эксперимен­ты позволили найти еще один путь - предварительное сжатие смеси НРС в шпуре [4].

Графики, иллюстрирующие изменение давления расширения и объ­емные изменения НРС в течение 24 часов после затворения материала при различной величине предварительного сжатия, приведены на рис. 1.

Из графиков видно, что рост давления расширения и объемных изме­нений во времени имеет схожий характер. При этом через 24 часа после приготовления смеси давление от ее саморасширения при отсутствии предварительного нагружения составило 28,72 МПа, объем материала уве­личился на 7,0 %, а при предварительном сжатии смеси с давлением 17,5МПа давление саморасширения составило 48 МПа, при увеличении объема - 3,34%. Увеличение предварительного нагружения на 17,5 МПа привело к росту давления в возрасте 24 часа на 19,28 МПа, при этом дав­ление 28,72 МПа было достигнуто через 8,4 часа, то есть почти в 3 раза быстрее. Кроме того, активный рост структурных новообразований, зафик­сированный началом роста объема НРС при отсутствии предварительного нагружения, был отмечен через 85 минут, а при предварительном сжатии 17,5МПа - через 40 минут, то есть быстрее более чем в 2 раза.

 

Полученные результаты исследований позволили предложить способ невзрывного разрушения негабаритных блоков в очистном забое, вклю­чающий бурение шпуров, размещение в них невзрывчатых разрушающих средств, увеличивающих свой объем при гидратации, и создание предвари­тельного сжатия невзрывчатого разрушающего средства в шпуре, напри­мер, при помощи гидростойки. Дополнительное сокращение времени раз­рушения возможно за счет повышения скорости гидратации путем добав­ления в НРС перед его заливкой в шпур химических веществ, которые имеют экзотермическую реакцию с ним, при этом даже в случае неуправ­ляемого роста скорости гидратации выбросу НРС из шпура будет препят­ствовать средство предварительного распора.

Способ реализуется следующим образом. Работы начинают с бурения шпуров 1 для размещения НРС 2, (рис. 2), которое производят со стороны открытой поверхности объекта 3, как правило, под углом 80-90 градусов к вертикали. Шпуры 1 бурят рядами в плоскости предполагаемого раскола 4. Возможный диаметр шпуров - от 20 до 50 мм, рекомендуемый 43 мм. Про­буренные шпуры очищаются от пыли и буровой мелочи продувкой.

После этого в пробуренные шпуры 1 заливают приготовленный раствор НРС материала 2 на глубину, равную 0,9 длины шпура. Затем устьевая часть шпура 1 герметизируется глиняной забойкой 5, на кото­рую устанавливается шток 6, представляющий собой отрезок стального проката круглого сечения диаметром, равным диаметру шпура. Сверху на шток устанавливается гидростойка 7, при помощи которой путем ее распора между кровлей и штоком 6 создается предварительный распор материала в шпуре. В результате протекания реакции гидратации раствор НРС увеличивается в объеме и оказывает давление на стенки шпура, что приводит к разрушению негабаритного блока по плоскости раскола соз­данной рядами шпуров с НРС.

 

Пользуясь теорией Гриффитса-Ирвина, имеющей широкую апроба­цию при расчетах на трещиностойкость в инженерном деле, получена формула для расчета расстояния между шпурами

Р({', Р )^{2 х} р ^х г²Е

— I 0/                          0         М     /л          г\                           \                                 /1 \

^а--------------- р ^------------------------ ^{(1------ - 2т} НРС ^{) ,                                            (1)}

^ЕНРС ' ^КI

где        Р(^- , Р_ш )                   - квазигидростатическое давление саморасширения НРС

через заданное время I, при предварительном сжатии Р₀, МПа; г₀ - радиус шпура, м;

Е_м - модуль упругости породы, МПа.

Е_НРС - модуль упругости НРС, может быть принят 4 - 6                       ,   МПа;

х 10³

К2 - коэффициент интенсивности напряжений, МПа (л/м ); т _НРС - коэффициент Пуассона НРС, может быть принят 0,25.

Расстояние от свободной поверхности негабарита до первого шпура

а

должно приниматься равным —^{, м}.

2

Значение р(^. , Р_ш ) определяются экспериментально для конкретно применяемого типа НРС путем испытания пробы НРС из полученной пар­тии на стенде [5].

Так в результате серии испытаний [4] материала НРВ-80 давление саморасширения Р(^- , Р_ш ) через время I (час), при предварительном сжа­тии Р₀, (МПа) в температурном поле 20-23°С может быть определено по формуле

Р(!_г,Р_0г) = (11,28Ьп(1) - 5,1309; х (-0,002 4Р₀²          0,0767 Р0  +     1) , МПа. (2)

+

Промышленные испытания способа невзрывного разрушения негаба­ритных блоков проводились в 4 южном конвейерном штреке центральной панели бл. 8 ПАО «Ш/у «Покровское». Негабаритные блоки на экспери­ментальном участке были представлены в основном песчаниками мелко­зернистыми с прочностью на одноосное сжатие 60-85 МПа, имели непра­вильную форму, близкую к прямоугольному параллелепипеду, с толщиной 0,4-0,6 м. Температура пород составляла 31,4 ⁰С.

Способ был реализован при разрушении негабаритного блока песча­ника, по форме близкой к параллелепипеду с основанием в виде паралле­лограмма с размерами сторон 620 х 460мм и толщиной - 400 мм. Посре­дине блока был пробурен один шпур глубиной 32 см и диаметром 36 мм.

В шпур помещали приготовленный на месте ведения работ НРС, в качестве которого был использован НРВ-80. В устьевую часть шпура устанавливали шток, соединенный с гидростойкой, между стенками шпура и штоком по­мещали слой глины, после чего гидростойку распирали между кровлей вы­работки и негабаритным блоком, при этом разжатием гидростойки пере­мещали шток в шпур, что приводило к повышению давления НРС в шпуре. Слой глины предотвращал вытеснение раствора НРС между стенками шпура и штоком. В результате повышения давления НРС в шпуре и огра­ничения свободы его объемных деформаций происходило увеличение ско­рости роста давления на стенки шпура при саморасширении НРС в про­цессе гидратации, что привело к разрушению негабарита через 2,5 часа на три части (рис. 3).

 

Проведенные шахтные испытания подтвердили техническую возмож­ность реализации предложенного способа разрушения негабаритных бло­ков, однако были выявлен ряд недостатков:

-  при негабаритном блоке неправильной формы осуществить распор гидростойки между кровлей и блоком весьма сложно из-за плохой устой­чивости блока;

-  многооперационность способа;

-  загромождение стойкой рабочего пространства.

Для исключения этих недостатков было предложено использовать ме­ханические клиновые устройства, которые совмещают функцию гермети­зации шпура и предварительного сжатия НРС в шпуре. Наиболее простой и дешевой конструкцией клинового устройства является деревянный клин. Применение клиньев на практике также дало положительный результат, однако время разрушения негабаритов при этом увеличилось до 4-5 часов, что вероятно объясняется меньшим предварительным сжатием смеси НРС в шпуре с помощью деревянного клина. Общий вид деревянного клина в шпуре после разрушения негабаритного блока представлен на рис. 4.

 

ВЫВОД

Предложен способ разрушения негабаритных блоков в очистном за­бое, основанный на предварительном сжатии НРС в шпуре и методика расчета параметров способа, а также проведена его опытно-промыш­ленная проверка. В результате внедрения способа выявлены его недостатки и намечены пути их устранения. Поскольку создание предварительного сжатия смеси механическим способом в шпуровых и скважинных зарядах не всегда возможно, дальнейшие исследования будут направлены на поиск химических добавок, позволяющих максимально уплотнить раствор НРС до момента его твердения, при этом не изменив температурный режим гидратации, что позволит получить аналогичный технический результат при снижении трудоемкости и многооперационности работ.