Технологии укрепления горных пород как направленного воздействия на горный массив, в результате которого улучшаются его прочностные и другие характеристики, уже многие годы известны и успешно используются как в горном деле во всем мире, так и на горных предприятиях Российской Федерации.
Наиболее распространённым способом укрепления горных пород обычно является закрепление массива анкерной крепью, так называемое «сшивание» слоёв горного массива между собой металлическими, железобетонными, сталеполимерными, полимербетонными и другими видами анкеров с одновременной цементацией, глинизацией, битумизацией горных пород и др.
В последние годы особой популярностью пользуется наиболее перспективный и современный способ укрепления горных пород и повышения устойчивости массива трещиноватых горных пород — смолоинъекционное укрепление.
Такой способ обеспечивает значительное повышение устойчивости таких горных пород, которые имеют собственную прочность хотя бы на молекулярном уровне — все крепкие трещиноватые, средней крепости и слабые, включающие пески, супеси и другие горные породы.
Рассмотрим на примере очистного забоя угольной шахты.
Очистные работы являются звеном, от которого во многом зависит эффективная работа всего угольного предприятия. Одним из значительных факторов, снижающих эффективную
работу забоя, является наличие зон обрушения пород кровли в пределах выемочного участка. Обрушение пород кровли в очистных забоях приводит к следующим основным проблемам [1, 2]:
1. повышение травматизма рабочих;
2. простои лав при ликвидации обрушений. Время на их ликвидацию достигает 50–60% нетехнологических простоев лав;
3. увеличение износа скребковых и ленточных конвейеров, а также другого оборудования, не рассчитанного на работу с породой.
Таким образом, решение проблемы повышения устойчивости кровли в очистных забоях и примыкающим к ним выработкам является актуальным.
На устойчивость горных пород влияет множество факторов. Все их условно можно разделить на две группы: горно-геологические и горно-технические. Горно-геологические факторы определяются условиями залегания пласта. К ним относятся физико-механические свойства пород, глубина залегания, мощность, слоистость, трещиноватость, угол падения и ряд других. Горно-технические факторы определяются применяемой технологией ведения работ, которая в свою очередь в значительной степени зависит от геологических условий. Таким образом, в некотором роде горно-технические факторы являются подчиненными горно-геологическим. Однако это не означает, что их следует считать менее важными.
В любом случае порода, которая обрушается, является нарушенной одной или нескольким системами трещин, которые, исходя из вышесказанного, могут быть определены как горно-геологическими, так и горно-техническим факторами. Поэтому можно выделить следующие два основных направления по повышению устойчивости пород при ведении горных работ:
— направленные на управление горно-геологическими факторами, точнее управление физическим состоянием горных пород, в частности их упрочнение;
— направленные на управление горно-техническими факторами, в частности, на создание таких условий ведения горных работ, которые бы минимизировали изменение напряжённого состояния пород с целью недопущения их растрескивания.
Второй способ сопряжён с оптимизацией планировки горных работ, выбором оптимальной последовательности отработки пластов, направлений подвигания лав и порядка их отработки в пределах одного пласта и пр. При этом конкретный выбор данных мероприятий всё же является ограниченным.
Упрочнение горных пород может быть реализовано за счёт химического способа, который является высокоэффективным, однако не получил достаточного распространения.
Применительно к очистному забою упрочнению подлежат породы, которые теряют свою несущую способность до установки крепи.
Породы кровли очистных забоев объединяются по двум квалификационным признакам [3 – 5]:
— обрушаемость массива над очистной выработкой;
— устойчивость пород нижнего слоя над очистной выработкой.
Склонность пород к вывалообразованию (обрушениям) характеризует именно второй признак. Количественными критериями для второго признака служат высота нижнего слоя и расстояние между трещинами. По существующей классификации [6] породы кровли этого класса разделены на пять категорий.
Первая категория — весьма неустойчивые породы, обрушающиеся при выемке вместе с углём. Поддержание таких пород возможно лишь с оставлением угольной пачки или специальных мероприятий по их упрочнению.
Вторая категория — неустойчивые породы, не образующие устойчивых обнажений. Для их поддержания необходимо оставления пачки угля или упрочнения слоя пород, прилегающего к углю.
Третья категория — малоустойчивые породы, типа глинистых, песчано-глинистых сланцев, тонкоплитчатых песчаников и слабых известняков. Способны образовывать устойчивые обнажения. Встречаются в 25% очистных забоев.
Четвёртая категория — породы средней устойчивости (прочные глинистые, песчано-глинистые сланцы и мелкозернистые песчаники). Встречаются в 40% очистных забоев. В большинстве случаев чередуются с породами третьей категории. Соответственно, периодически требуется проведение мероприятий по упрочнению кровли.
Пятая категория — устойчивые породы, 13% очистных забоев. Иногда встречаются выходы пород меньшей категории.
Таким образом, ориентировочно в 50% очистных забоев имеют место породы, которые требуют укрепления.
В настоящее время известны три способа упрочнения горных пород в очистных забоях [3]:
— опережающее химическое анкерование;
— нагнетание синтетических смол под большим давлением;
— комбинированный способ.
Химическое анкерование представляет собой опережающее укрепление пород кровли анкерами, закреплёнными по всей длине вспенивающимся составом (как правило, полиуретановым). Применяется, как правило, для упрочнения пород, которые обрушаются крупными кусками: 10–50 см.
Упрочнение нагнетанием — инъекция под большим давлением синтетических смол с отвердителями. Применяется в остальных случаях.
Скрепляющие составы делятся на три основные категории:
— водные суспензии тонких частиц;
— гели, вязкость которых постепенно увеличивается до их полного отвердения;
— синтетические смолы, отвердевающиеся под влиянием отвердителей или катализаторов.
К первой категории относят водные растворы цемента и глинистые растворы. Они имеют существенный недостаток — быстрая седиментация (оседание частиц дисперсной фазы в жидкости или газе под действием гравитационного поля или центробежных сил). Более стабильные составы дают глины со смесью цемента и бетонита или цементы с ускоряющими добавками. Однако большие размеры частиц определяют низкую проницаемость таких составов.
Ко второй категории относят силикатные клеи, широко используемые для тампонажа грунтов и обводнённых песков. Однако они имеют долгое время отвердевания. Поэтому они могут быть использованы только для профилактического упрочнения пород с длительной выдержкой во времени.
Синтетические смолы имеют ряд преимуществ: хорошо регулируется время гелеобразования и отвердевания, хорошая проницаемость по трещинам, высокая адгезия к горным породам, большая механическая прочность. К настоящему времени использовались следующие виды составов смол:
— феноло-формальдегидные смолы;
— мочевино-формальдегидные смолы;
— резорциновые смолы;
— эпоксидные композиции;
— полиуретановые композиции.
Феноло-формальдегидные смолы — весьма хрупкие и обладают невысокими прочностными свойствами. Для получения более высоких прочностных характеристик используют составы, отвердевающие при нагревании.
Мочевино-формальдегидные смолы широко применяются для склеивания древесины и изготовления древесно-стружечных плит. Данные составы менее водостойкие и имеют худшие физико-механические характеристики.
Эпоксидные смолы твердеют с небольшой усадкой, имеют хорошие физико-механические свойства и обладают очень хорошей адгезией. Однако имеют высокую вязкость, дороги и токсичны. Токсичность обеспечена аминами и ангидридами органических двухосновных кислот.
Составы на основе полиуретанов характеризуются высокой адгезией к большинству материалов, твердеют при комнатной температуре. Однако обладают токсичностью и требуют соблюдения элементарных правил безопасности.
К настоящему времени для упрочнения кровли в очистных забоях с применением нагнетания смесей в шпуры наиболее широкое распространение получили составы на основе полиуретанов.
Эти смолы обладают следующими основными характеристиками:
– время старта 2 – 30 с;
– коэффициент расширения 4 – 5,5;
– класс горючести «Г» (трудногорючий);
– температура среды применения 2 – 35°.
Следует отметить, что указанные параметры являются базовыми и могут регулироваться в широких пределах.
Результаты упрочнения пород в значительной степени зависят от природных факторов и применяемых параметров нагнетания. В настоящее время нагнетание скрепляющих составов производится, как правило, в шпуры с инъекционными анкерами или через герметизатор. Бурят шпуры непосредственно в упрочняемом массиве или через угольный пласт. Обычно при упрочнении пород кровли в очистных забоях шпуры бурят в один ряд. Расположение шпуров выше пласта и их длина зависят от трещиноватости пород. При наличии мощных обрушений шпуры могут располагаться в два и более рядов.
К основным параметрам нагнетания скрепляющего состава относятся длина и угол наклона шпура к плоскости напластования пород, расстояние между шпурами, глубина герметизация устья шпура, давление и темп нагнетания, расход скрепляющего на 1 шпур, количество нагнетания.
Указанные параметры зависят от физико-механических свойств упрочняемых пород, их трещиноватости, мощности, карбонатности и обводнённости, а также от применяемых средств крепления пород кровли и скорости подвигания очистного забоя. Параметры нагнетания определяются расчётным путём, а затем уточняются по фактическим результатам. Длина шпура должна на 0,5 м превышать величину подвигания очистного забоя.
Полиуретановая смола получается при перемешивании двух исходных компонент (часто обозначаемых просто: компонент А и компонент В). Данные компоненты доставляются к месту нагнетания отдельно, а смешивание происходит непосредственно в смесительной трубке, непосредственно перед подачей в шпур.
Для нагнетания необходимы следующие механизмы и оборудование.
1. Насос для нагнетания. Служит для раздельной подачи компонента смеси, смешивания компонентов полиуретановой системы и подачи готовой смеси в шпур под давлением.
2. Смесительная трубка (смеситель). Имеет вход, на который через тройник от насоса подаются компоненты смеси. В трубке имеется смешивающий элемент в виде спирали, который вращается под действием движущихся жидких компонентов и перемешивает их. Смесь со второго конца трубки поступает в герметизатор непосредственно или через удлинительный шланг.
3. Герметизатор служит для перекрытия устья шпура в процессе нагнетания полиуретановой смеси для предотвращения ее вытекания из шпура. Содержит обратный клапан, резьбу с тыльной стороны для подключения шланга от насоса и переходник с резьбой с фронтальной стороны для подсоединения полога нагнетательного анкера. Под действием нагнетания расширяется, что приводит к перекрытию устья шпура.
4. Анкер для нагнетания. Представляет собой полую трубку с резьбой для присоединения к герметизатору. Через него смесь подается к концу шпура, откуда вытекает, распространяется по шпуру и, в дальнейшем, в массив.
Список литературы
1. Иванов И.Е. Совершенствование метода прогнозирования зон обрушений пород непосредственной кровли в очистных забоях тонких пологих пластов: дисс. … канд. техн. наук: 05.15.11 / И.Е. Иванов. – Донецк, 2000. – 337 с.
2. Фармер Я. Выработки угольных шахт / Я. Фармер; пер. с англ. – М.: Недра, 1990. – 269 с.
3. Химический способ упрочнения пород в очистных забоях угольных шахт / [Бутенко И.Т., Кара В.В., Сальников В.К., Пихович И.Я.]. – К.: Техніка, 1978. – 69 с.
4. Управление кровлей и крепление очистных забоев с индивидуальной крепью / [Мухин Е.П., Захаров Е.П., Дубов Е.Д.и др.]. – К.: Техника, 1994. – 190 с.
5. Барановский В.И. Влияние природных факторов на выбор способов разработки пологопадающих пластов на глубоких горизонтах / В.И. Барановский. – М.: Горгостехиздат, 1963. – 60 с.
6. Указания по управлению горным давлением в очистных забоях на пластах мощностью до 3,5 м с углом падения до 35o. – Л.: ВНИМИ, 1984. – 136 с.
.
Текст: Герасимов П. Е., коммерческий директор ООО «ВК-Торг» (г. Кемерово)
Спасибо!
Теперь редакторы в курсе.