автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Геомеханические основы системы контроля состояния и параметров упрочнения кровли в очистных забоях

, о и»*

П Ь АИР

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КЛИШИН Николай Кузьмич

УДК 624.138.4: 622.112.3:556.332.4

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ И ПАРАМЕТРОВ УПРОЧНЕНИЯ КРОВЛИ В ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ

05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат

диссертации иа соискание ученой степени доктора технических наук

ДОНЕЦК 1004

V Г) 5 '

Работа выполнена в Донбасском горно-металлургическом институте (ДГМИ).

Официальные оппоненты - доктор техш Чьских наук, профессор Коиелев К.В.; доктор технических наук, профессор Ильюшенко В,Г.; доктор технических наук, профессор Усеченно Б.М.

Ведущее предприя т и е - Донецкий научно-исследовательский угольный институт (ДонУГИ).

Защита состоится 15 апреля 1594 г. в 12 час. па заседании специализированного совета Д 06Й.20.02 в Донецком ордена Трудового Красного Знамени государственном техническом университете по адресу:

г. Донецк, ул. Артема, 58.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университет

Автореферат разослан _ ^^______1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета.

доктор технических наук

0В1Ш ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акт^альность_п2£5лемьи Упрочнение массива горных пород в окрестности очистьых и подготовительных выработок необходим<Р для создания условий работы современных комплексов оборудования, повышения безопасности и эффективности отработки участков с неустойчивой кровлей, в районах геологических нарушений и в других неблагоприятных горно-геологических условиях. В Донецком бассейне ежегодно лавами переходят до 700 разрывных геологических нарушений и участки ложной кровли, общая площадь которых составляет ^ млн. м^. В этих условиях скорость подвигания лав на 30 - НО % меньше, себестоимость I т угля в 1,5 - 2 раза, а зольность угля на 2 - Ц % больше, чем на участках с устойчивой кровлей.

Технология упрочнения пород нагнетанием составов применяется в 30 - 'Ю лавах, химическое анкерование в 1'Ю, что составляет менее 20 % лав со сложными условиями. Увеличение объёма применения упрочнения пород сдерживается значительным ростом стоимости скрепляющих материалов, услуг. Для снижения затрат на бурение шпуров и для уменьшения расхода составов при существующей технологии необходимо оперативно определять длину шпуров и расстояние между ними на участке упрочнения кровли. Важнейшим направлением повышения эффективности упрочнения является разработка малооперационной автоматизированной технологии. Применительно к очистным забоям в условиях ограниченного пространства, непрерывно выполняемых основных процессов по добыче угля, перспективной является бесшпуровая малооперационная технология упрочнениг. Для её автоматизации необходимо разработать метод определения границ участка неустойчивого состояния кровли во время выемки угля. Решение этих задач должно основываться на глубоком изучения свойств нарушенных пород: трещиноватости, проницаемости, прочности, морфологии поверхностей; закономерностей механических процессов, происходящих в массиве, упрочненном по бесшпуровому способу, т.е. на геомеханической основе.

Таким образом, создание геомеханических основ системы контроля состояния и параметров упрочнения кровли в очистных , забоях для разработки малооперационной автоматизированной техьЪ-яогии и обоснования параметров упрочнения, обеспечивающих повышение эффективности отработки участков с неустойчивой кровлей, звляется актуальным.

Связь темы диссертации с планами НИР. Диссертация выполни на в соответствии с планом научно-исследовательских работ ДГМИ, Постановлением ГШ СССР и Госплана СССР №472/248 от 12.12.80 г по проблеме 0.05.03 и отражена в отчетах НИР №ГР 7303273, '74029892 , 78061412 , 81014848, 01830005870, 08500042159, 018600061910, 018700030789, 01890020987, 01900003809 и др.. по которым автор являлся научным руководителем.

Разработать систему контроля состояния и упрочнения кровли в очистных забоях для повышения эффективное™ работы лав при неустойчивой кровле.

Идея работы заключается в использовании закономерностей фильтрационных, сейсмоакустических, структурно-механических свойств нарушенных кровель в очистных забоях для установления параметров технологии упрочнения пород нагнетанием составов и для разработки геомеханичеоких основ принципиально новой малооперационной автоматизированной системы контроля состояния и упрочнений кровли на протяженных участках лав.

Методы_исследования^_ В работе использован комплексный метод исследований, включающий натурный, лабораторный и аналитический методы с применением стандартных методик, методов математической статистики, математического планирования экспериментов и специально разработанных приборов, устройств, моделей из эквивалентных материалов..

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна.

1. Установленные впервые количественные зависимости для определения проницаемости нарушенных кровель, учитывающие особенности проявления горного давления на протяженных и концевых участках лав, и закономерности прохождения сейсмоакустических волн от резца, разрушающего породу при бурении шпура, и позволяющие определять параметры расположения шпуров при упрочнении пород нагнетанием составов.

2. Аналитическая зависимость для определения мощности упрочненного полимерным составом слоя кровли, учитывающая зависание искусственно созданной отдельности кровли вдоль лавы, тиг крепи и параметры технологии выемки угля и крепления лавы.

3. Экспериментально и теоретически установленные закономе[ ности формирования и количественные зависимости для определения реакции скрепляющего слоя при бесипуровом способе упрочнения кровли на протяженных участках лав, учитывающие расстояние ме«

тРещща т

0Та"'"'и яа нх ' УЧПТЫВавщие »пт_„.-ра5отаюЧего

«еустойЧИЭОГо

основе

к№териЯ для 1СГойчивость обнажаемой

"'"»«'о состояния ^ 5- Авалитичр,.»,

"а "^ерхнооти к1! А'егад №сче;ГГеМ°Й ^емке^Г

•влиянмо, кровли в а паРамб«тлг,„ .Тля.

Я«иеи лрОЦесоов и * лазе, уЧИты ' _тР°в заВДтного _

ислол-

г:

в лавах нагнетанТ Пр№,ен^МОй технУ а

^ноэавдо,,^ еп,ние« составов Техно^гин

а также упрочнения

и

- ™РНОГО •рочнен^ Слиоснов С': надравл7~

I ки

Работок; к

1 "Редельногп ^ "^ИМе"ением "*',ал и "одготоп,, —"-"е-

I ми

°5есле

слечива«..... недРе«ия иди»...... -Р^Ульгатои —- '

!1ЬНЫх

иссле-гльиой

Работы

Чаций, лав в Условиях

-ЭУчное Зна„„

(мы

чего

адльно и™ фортР°^ния

СЛ°* вносят пп

ят принципе

'РНОСТИ

Н0ВДе представ'

'ление

».,„, о,—

массива 110^0Д1гпгпБ0Й способ упр° „прочнеп-

раб«ан беспурово ^'^"^прое^

участках лав. ическч* «^Доторы» п°зв0ЛЯ" 0*д с

У разработан сЛ0Л нро^и- « / „е11й!1 пород

Л»«.»»»» "'"".Л,™- - «««'«"-

теии контро»« обеспеч.Лвает по»кр0ВЛЙ. ных

ПаРйМ:Г з'аГев в УО-о»^^Р^зрГ

СИС-

её

ГГе.о Г„ "Л-. »»'" «™а» .прочее»»'

ВОЛН ОТ Г*1 принципиально о60сновани в

ппедлоаен пр" „ияс,тКах лав и „«„тетического

на

обнажаемо!»

-«д вива-

едотврам^ы

ЬЫ6МКе 7^ " ' «свая н-00пераиисниая^

" "Е-еиа прини^-ьп Й упрочнения ^

ПР« „.НТРОЛЯ ^ ей параметр- аОТ0Ивдачео»

1Ш. участь«" - , „ №еике уг«я ком' „роходяи«*

У - следуй- ПГ1>|(,и„стпческли ^ ^го уг°'

1 ■■• плот»0

рованиая скст«.«»» '

1 V участках ла»

Гтой В следу»««

от

.-гоьли, через иИ

обиал:^

сейсмоаку'-11^ органа к"

ные «Р"

прижатым к кровле. При уровне интенсивности сейсмоакустических волн, равном или ниже уровня интенсивности, при котором возможно обрушение кровли, на участок кровли между исполнительным Органом и приемником волн автоматически наносится скрепляющий состав. После его отверждения образуется прочный защитный слой, препятствующий обручению кровли в призабойное пространство.

Обоснованы параметры расположения кпуров при упрочнении пород нагнетанием составов на протяженных и концевых участках лав, при которых уменыеастся затраты на бурение отуров и расход сости ва.

Разработан состав для набрызга на поверхности кровли и для нагнетания через шпуры в массив на основе карбамидной смолы и поливинилацетатной дисперсии, стоимость которого в пять раз мет-ше, чем полиуретанового состава.

Разработаны нагнетательная установка и ннъектор для раздельного нагнетания двухкомпонег)гных составов через шпуры в массив.

Новизна разработанных способов и средств контроля состояния и упрочнения кровли защищена 7 авторскими свидетельствами на изобретения.

Рзализация выводов й рекомендаций работы осуществлена путем внедрения их на угольных шахтах Донбасса и ПО "Интауголь"; получен экономический эффект в сумме 460 тыс. руй.

Метод оперативного определения проницаемости кровель и параметров нагнетания составов для упрочнения пород внедрен на сахтах НО "Лисичанскуголь", "Стахановуголь", "Луганскуголь", "Ровеньки-антрацит". Разработанный скрепляющий состав на основе карбамидной смолы и поливинилацетатной дисперсии, комбинированный способ упрочнения кровли применены на шахте им. Ф.Э. Дзержинского ПО "Ровенькиантрацит". Нагнетательная установка и инъектор для нагнетания двухкомпонентного состава внедрены на вахтах ПО "Интауголь".

Положительные результаты вахтных испытаний бескпурового спо-зоба упрочнения кровли, разработанные параметры скрепляющего и защитного слоев, критер«й устойчивости кровли являются основой зоздания автоматизированной малооперационной системы контроля 1 упрочнения кровли в лаве. Разработки автора диссертации по основам системы контроля состояния и упрочнения неустойчивой кровя! 1а протяженных и концевых участках лав используются в учебном 1роиессе при подготовке горных инженеров в ДГМй.

Ап£обацм_]вбот: Результаты проведенных исследований докладывались на ежегодных научно-технических конференциях по горному де-

лу. ДГМИ (Алчевок, 1975 - 1992 гг.), на всесоюзной научно-технической конференции "Физико-химические воздействия на горный нас сив" (Днепропетровск, 1977 г.), на заседании "Временной научно-технической комиссии для разработки предложений по основным направлениям развития научных исследований создания технологии и оборудования для упрочнения горных пород и крепления выработок химическими материалами" ГКНТ СССР (Москва, 1985 г.), на семинарах в лаборатории "Новые материалы и упрочнение массива горных пород ИГД им. A.A. Ск.очинского (Москва 1985, 1986, 1987 гг.), на научно-технических советах ПО "Лисичэнскуголь", "Стаханов-уголь", "Ровенькиантрацит", "Интауголь", шахт "Луганская - I", "Черноморка", "§ащевская", "Сутоган" и др.

Публикации^ По теме диссертации опубликованы 42 работы, из них 21 научная статья, 14 отчетов о научно-исследовательских работах, депонированных во ВНТИцентре, 7 авторских свидетельств на изобретения.■

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, содержит 35J страницу, в том числе 297 страниц машинописного текста, 57 рисунков, 41 таблицу, 31 приложение, список использованных источников из 517 библиографических наименований.

Автор выражает признательность канд. техн. наук Ефимен-ко A.A., инж. Пятаченко A.A., Марчещсо Г.А. за большую помощь в проведении шахтных экспериментов и благодарит заведующего лабораторией "Новые материалы и упрочнение массива горных пород" ИГД им. A.A. Скочинского докт. техн. наук, проф. Васильева В.В. за ценные советы при выполнении научно-исследовательской работы, связанной о иахтними испытаниями бес&пурового способа упрочнения кровель в лавах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ ■

B®E2ä5_Iiä2§. посвящена анализу состояния технологии упрочнения и изученности свойств массивов горных пород.

В горнодобывающей промышленности применяют способ упрочнения нагнетанием составов насосами, путем взрывания зарядов взрывчатого вещества, с использованием вибрации; применяют анкеры с механическими замками, винтовые, трубчатые, канатные, закрепляемые химичеокими составами; тросо-инъекционный способ; создают искусственные слои, своды в массиве вокруг выработок.

Современный уровень, специфические особенности, объём и

эффективность применения технологии упрочнения углепородных массивов определены научными исследованиями ИГД им.. A.A. Скочинско-го, ДонУГИ, КНЙУИ, КузНИ.УИ, ПНИУИ, ПечорНИйпроекта,. МГТУ, ДГ^У, ДГА, ДГМИ, ИГТМ АН Украины, ВНИИСС ю-др. На угольных шахтах наибольшее распространение для. упрочнения пород получили химическое анкёрование и упрочнение скрепляющими составами, нагнетаемыми через шпуры в массив. В Донецком бассейне применяются полиуретано-вые составы, на шахтах Караганды - карбамидная смола КФ-1, в Кузбассе разработан состав на основе фенолформальдегвдной смолы, . для условий Печорского бассейна испытаны карбамидные и полиурета-новые составы для упрочнения пород С низкой температурой.

На основании опыта применения разработанной ДонУГИ совместно с ИГД им. A.A. Скочинского технологии упрочненияполиуретановыми составами установлена её эффективность и выявлены недостатки, о особенно ощутимые в условиях экономических преобразований в нашей стране. Большой расход составов, непроизводительные затраты на бурение шпуров связаны с недостаточной изученностью свойств массивов горных пород и обоснованностью параметров технологии. Перспективные направления совершенствования технологии путем учета свойств массива, воздействия на массив, создания скрепляющего слоя не нашли развития применительно к очистным выработкам, в главе проанализированы работы, посвященные изучении свойств массивов пород: трещиноватости, проницаемости, еейсмоакустических и др.

На оснований выполненного анализа сформулирована цель и поставлены следующие взаимосвязанные задачи:

разработать новые методы оценки состояния нарушенной кровли в очистных забоях перед её упрочнением с использованием нестационарных источников сейсмоакуогических волн от работающих исполнительных органов маган, механизмов при выемке' угля и бурении шпура; разработать бесшпуровой способ упрочнения кровли в лавах; обосновать параметры малооперационной автоматизированной системы контроля состояния и упрочнения кровли в очистных забоях;

создать теоретические основы расчета основных параметров бесшпурового способа и автоматизированной малооперационной системы контроля состояния и упрочнения кровли в очистных забоях;

разработать метод определения параметров технологии упроч^е- . ния кровель нагнетанием составов;

экспериментально проверить в шахтных условиях бесшпуровой способ упрочнения кровель и систему контроля состояния и упрочнения кровель нагнетанием составов.

Во второй главе изложена методика исследований. Б работе использован комплексный метод исследований, включающий натурный лабораторный и аналитический методы.

В иахтных условиях измеряли параметры трещиноватости, проницаемости, сейсмоакустические свойства, морфологию поверхностей кровель в местах вывалов на сопряжениях лав с выработками и на протяженных участках лав.

Проницаемость кровель определяли методом воздушного опробы-вания трещиноватости, основанном на измерении времени истечения сжатого воздуха из ёмкости объёмом 0,015 ьР через загерметизированный участок шпура длиной 0,2 м при падении давления от 0,4 до 0,1 мПа. Шпуры длиной до 3,0 м бурили из подготовительных выработок под различными углами к напластованию впереди лавы и по мере её подвигания периодически измеряли проницаемость пород кровли. На протяженных участках лав проницаемость кровли измеряли по Г - 3 линиям: в средней части и по концам участков нарушенной кровли через шпуры, пробуренные под углами. 5 - 30° к напластование пород в зависимости от высоты вывала породы из кровли. Проницаемость участка шпура вычисляется по формуле

. V-, "600(/',-Рк)(л^су\ (I)

где Щ - воздуштя проницаемость, мПа(м.с)-^ или Вот;

Pff,PK~ начальное и конечное давление, ЦПа; t, - время истечения воздуха, с; &€ - длина загерметизированного участка шпура, м.

В лабораторных условиях прибор был протарирован путем выпуска воздуха через отверстия различного диаметра в гладкостен-ной металлической трубе. Получена зависимость для определения эквивалентного отверстия, пригодная в диапазоне 0 - 200 Вот.

S-O./Vr, «м2 (2)

Коэффициент корреляции равен 0,988, его надежность 144,9. . В более широком диапазоне проницаемости (до 500 Bot) при различных значениях начального и конечного давления сжатого воздуха эквивалентное отверстие определяется по Детальному тарировочно-му графику по времени истечения воздуха. Точность измерения проницаемости прибором в диапазоне 0 - 50 мм^ от 5 до 0,5 „I.

Проницаемость пород определяли также методом фильтрации, основанном на измерении времени истечения I tP воздуха при посто-

янном давлении. Измерения по двум методам в одной выработке и через одни и те же шпуры были предусмотрены для исследования связи между эквивалентным отверстие« и коэффициентом проницаемзлти пород. ' ■

Анизотропию проницаемости кровель исследовали с помощь;!) разработанного в Донбасском горно-металлургическом- институте устройства с секторной испытательной камерой.

Для исследования сейсмоакустических сеойств кровель применяли методы сейсмоакустического зондирования и профилирования. 3 первом случае измеряли интенсивность сейсмоакустических волн от источника - резца, разрушающего породу при бурении t-nypa на сопряжении лавы с выработкой, на протяженном участке лавы,прибором ПСЛ-2м конструкции ИГД им. A.A. Скочинского. Глубина муров 1,8 - 2,0 м, расстояние от к.пура до приемника - 0,5 м. Согласно схгке сейсмоакустического профилирования источником волн является инек • комбайна, разрушающий угольный пласт. Приемник сейсмоакусточеских волн плотно прижимали к кровле впереди комбайна на расстояниях 2 - 12 м; по второй схеме - позади комбайна. Через каждые 2 м продвижения комбайна замеры повторяли.

В лабораторных условиях определяли предел прочности на растяжение пород, отверждениях полимерных композиций, химические свойства пород, изготавливали и отрабатывали модели из эквивалентных материалов. Образцы пород полуправильной форш изготавливали размерами до 40 мм и испытывали на разрыв приЗором типа ПП£И-2м конструкции кафедры "Строительство вахт и подземных сооружений" ДГМИ. Образцы отверкденных полимерных композиций испытывали иа разрывной масине РиП-50у.. Концентрацию водородных ионов водных и кислотных вытяжек из толченных и кусковатых пород определяли на приборе НЛТ-бОм.

Сущность моделирования бесшурового способа упрочнения кровли на моделях из эквивалентных материалов: моделировали участок лавы длиной 12 м в месте вывала трещиноватой неустойчивой кровли; на поверхности вывала длиной 0,8 м создавали скрепляющий слой из карбамидного состава;, во время выемкй угля трещиноватая кровля обругалась, а на упрочненном участке зависала, не обрушалась; измеряли усилие/при котором кровля удерживалась от обрушения, фенд для моделирования эквивалентными материалами имеет размеры 1,2х 0,5x0,45 м. Угольный пласт имитировался деревянными призпами, которые падали при выдвижении планки через боковую стенку стенда.

При изготовлении и отработке моделей соблюдались требования

геометрического, кинематического и динамического подобия. Масьтас моделирования 1:10. Для соблюдения граничных условий протяженного Бывала кровли вдоль лавы связь материала с торцевой стенкой модели разрушали перед началом отработки модели. Соблюдены граничные условия сверху и со стороны массива: над обрубающимися породами находится необрушюадйся слой кровли; с задней; стороны модели -массив пород. Начальные условия выполнялись путем создания трещи-новатости, слоистости массива, обеспечивавших обрушение пород под действием собственного веса на не упрочненном участке после выемки угля. Состав эквивалентного материала, мае. ч.: песок -75; смола марки ЩФ-М - 18; Ь-% раствор щавелевой кислоты - 7. Объемная масса эквивалентного материала 1550 кг/м^.

Реакцию скрепляющего слоя измеряли резиновым динамометром, прикрепленным одним концом к скрепляющему слов, а другим к неподвижной балке стенда. При опусканий кровли-резиновый элемент динамометра растягивался и приводил в движение стрелку, длинный конец которой скользил по линейке, закрепленной на верхней балке стенда. Для соблюдения кинематического подобия жесткость резинового элемента динамометра была определена исходя из обеспечения опускания удерживаемых скрепляющим слоем пород с учетом масштаба моделирования и составила I Н/мм. Масштаб измерения перемещения от 7:1 до 1'»:1, точность измерений 0,5 мм. Динамометры были прота-рированы. Точность измерения реакции скрепляющего слоя 0,05 Н. В связи с непродолжительным временем удержания пород скрепляющим слоем до установки крепи в лаве, масштаб времени 1:1. Переходной множитель для сил реакции скрепляющего слоя в. натуре и соответствующих сил в модели равен 1600, при этом учтено требование динамического подобия о соотношении масс породы в натуре и эквивалентного материала.

Аналитический метод включает метод обобщение, анализа, математической статистики, математическое планирование эксперимента. Аналитическое решение задачи о реакции скрепляющего слоя основано на методах -теории предельного равновесия сыпучей среды с учетом специфики дискретного строения нарушенной кровли; для определения мощности упрочняемого слоя нагнетанием составов применен метод теории упругости, а толщины защитного слоя - расчетные методы теории мембранных оболочек.

Третья глава посвящена исследованиям свойств нарушенных массивов горных пород. Условия отработки лав, параметры очень мелких разрывных нарушений, ложной кровли изучены по маркшейдерской доку-

ментации для всех лав Донецкого бассейна. На выемочных полях, отработанных лавами за год, было 561 геологическое нарушение, суммарная длина которых 38,5 тыс. м, площадь ложной кровли составила 4,0 млн м^. Для 63,8 % нарушений амплитуда была более 0,9 м; наиболее неблагоприятный угол встречи нарушения с лавой (до 15°) был у 12,9 % случаев; в лавах с механизированными крепями нарушения длиной более 50 м составили 67,9 %. Участки ложной кровли мощность!) более 0,3 м составили 81,5 % от общего числа; в лавах с механизированными крепями 49,0 % участков ложной кровли имели мощность более 0,6 м; половина участков была протяженной (более 50 м). Геологические нарушения, ложная кровля значительно снижают технико-экономические показатели работы лав. Так скорость подвигания лав составляет 72,7 % при наличии геологического нарушения и 59,4 % в местах ложной кровли, а время работы лав в этих условиях, соответственно, 58,2 и 68, 0 % от общего времени работы.

Обрукаемость кровли изучена в условиях сильно нарушенных угольных пластов т3 , , ^ , ¿у и др. на восьми иахтдх Лисичанского, Алмазно-.Марьевского, Селезневского и Луганского геолого-промышленкых районов. Проанализированы 274' случая обрушения кровли, представленной аргиллитами и алевролитами; исследованы зависимости высоты обрушения и размеров зон обручения пород в призабойном пространстве лав. Получены уравнения множественных регрессий, которые позволяют оценить влияние факторов:

+ + . (3) 0

где Ьв - высота гывала кровли в районе, геологического нарушения, м; /}г - нормальная амплитуда нарушения, м; р - угол встречи нарушения с лавой, град. Множественное корреляционное отношение 0,21, его надежность 4,39, коэффициент Фишера 6,73;

(4)

где €0 ~ длина зоны обручения пород с одной стороны от смес-тителя, м; у - угол падения сместителя, град. Множественное корреляционное отношение 0,15, его надежность 2,98, коэффициент Фишера 4,93. На основании анализа уравнений (3) и (4) установлено: высота вывалов кровли в лавах слабо зависит от параметров нарушения и определяется мощностью нарушенных неустойчивых пород; даме при незначительной амплитуде нарушения вывалы возможны на высоту 0,8 и и более; средняя длина участка обручения пород вдоль л'-»вы

в окрестности нарушения составляет 16 м для аргиллитов и алевро лптов.

Параметры трещинсватости кровли изучены на 143 сопряжениях пологих лав ПО "Стахановуголь". Были отобраны 256 проб пород из кровли, изготовлено 1332 образца, которые испытаны на растяжение. Уравнение множественной регрессии для определения количества трещин на I м длины участка кровли параллельно лаве на расстоянии 2 м от угольного забоя следующее

= , (5)

где /77- модность пласта, м; - мощность непосредственной кровли, м; 6р - предел прочности пород на растяжение, мПа. Множественное корреляционное отношение 0,794,.его надежность.17,83. Для перпендикулярной к забою лавы линии количество трещин :на I м длины кровли определяется по уравнению

пг=-4,3+-20,6бр'~1,12тп~' 2Н^' (6)

Множественное корреляционное отношение 0,66, его надежность 11,7. Диапазоны условий применения зависимостей (5) и (6): т = 0,8 -2,2 м; А/ - I - 4 м; бр = 1,5 - 3,0 мПа.

Наиболее оильное влияние на трещиноватость оказывает прочность пород на растяжение. Количество трещин резко увеличивается в породах, предел прочности на растяжение которых ыеныш 2,5 -3,0 мПа. При модуле трещиноватостя боЛее 4-6 трещин на I м наблюдалось интенсивное разрушение кровли и вывалы на сопряжениях лав . с выработками. Для прогноза трещинаватости кровель на сопряжениях лаве выработками в диапазоне <5р = (1,5 - 5,0) мПа получены уравнения чистых регрессий:

П/ =-3,8 +2?,0бр'' ; (7)

пг = -4,/5*20,6 6р\ (8)

Фильтрационные свойства пород изучены для двух групп условий: на сопряжениях лав с выработками; на протяженных участках лав в местах вывалов породи из кровли. Проницаемость кровель измерена на 9 замерных станциях через 30 япуров, общая длина которых 73,0 м, пробуренных из подготовительных выработок в кровле пластов. После анализа и обработки статистических данных получено уравнение- нно^ес?венной регрессии

Щ -юз' Уб€п -ззг -т ^ а зз-е 3~ о о з/збр а, г5Ьп' - о)

гдес^- длина шпура, м; - расстояние от шпура до забоя лавы, \A\hp- высота подрывки кровли, м;угол между осью шпура и плоскостью напластования пород, град; скорость ЛЬ-двигания лавы, м в сутки. Множественное корреляционное отношение 0, 723, его надежность 39,67. Область применения зависимости (9):€ш= 1,8 - 2,7 м; € = -9,85 - 22,0 м;- 6р = 3-1 мПа;

- 30°; 2Г= 0,05 - 3,4 м в сутки; Ьп = 0,25 - 1,75 м.

Выделены наиболее сильно влияющие факторы: €ш, , бр, уравнения чистых регрессий которых, следующие

0}-543;

~9г0-53£-1Э-ег+0,ЗЭ£3-0,0?6€* ;

¿^ = 454 * 3/3 бр' ,

где Ц - воздушная проницаемость, Вот.

Отдельно проанализирована выборка данных о проницаемости неустойчивых кровель на расстоянии 0 - 5 м впереди лавы, .где угольный пласт и кровля частично разрушены под влиянием передней зоны опорного давления. Получено уравнение множественной регрессии

мм2, (13)

где Н - глубина разработки, м. Множественное корреляци-. онное отношение 0,811, коэффициент надежности множественного корреляционного отношения 23,16,. средняя; ошибка апроксимации 41,3 Коэффициенты эластичности: для глубины шпура 0,69; предела прочности на растяжение - 0,54; мощности пласта - 0,16; глубины разработки - 0,05. С учетом степени влияния факторов получены уравнения чистых регрессий:

5 53,4-еш ; <1*0

88,0 ^/Д^'1 , (15)

пригодные для прогнозирования в'диапазонах: длина шпура. 0,4 -3,0 м; предел прочности на растяжение от 1,0 до 3,0 мПа.

На основании сравнительных определений проницаемости пород по методу воздушного опробывания трещиноватости и по методу фильтрации, согласно которому коэффициент проницаемости рас- 0 считнвается по формуле

х-^&^Уг)'' ае)

(Ю) ,(И) (12)

где^и - динамическая вязкость воздуха при te - 25°, кг/м.о; & - расход воздуха при постоянном давлении, м3;t - время истечения воздуха, о; Р - давление, Па; ¿¡у- площадь поверхности загерметизированного участка шпура, м , методом парной корреляции получено уравнение, связывающее коэффициент проницаемости пород и эквивалентное отверстое

X=0,M !C)S+0,033S м2, (17)

. где S - эквивалентное отверстие,-м . Коэффициент корреляции равен 0,9, его надежность 26,51, средняя ошибка апроксимации 15,9 %. ■

На протяженных участках лав фильтрационные свойства кровель изучены в местах вывалов породы. Исследования проведены в 10 лавах 9 шахт ПО "Отахановуголь", "Луганскуголь", "йахтерскантрацит" при следующих условиях отработки: мощность пласта 0,56 ~ 1,4 м; угол падения пласта 5 - 28°; глубина разработки 246 -705 м; скорость подвигания лав 0,1 - 1,0 м в сутки;' кровля представлена аргиллитами и алевролитами; для выемки.угля применяли комбайны; управление кровлей - полное обрушение; крепи.индивидуальные и механизированные.„Длина нарушенных участков вдоль лавы составляла 1,6 - 15,5 м; высота обручения 0,4 - 2,0 м. В местах вывалов породы были пробурены 22 шпура, в которых выполнено 750 измерений проницаемости пород на отдельных участках шпуров. .

Иоследована зависимость проницаемости пород от глубины шпура, мощности пласта, глубины разработки, предела прочности пород на растяжение, среднесуточного подвигания лавы, мощности легкообруш-ющихся пород. Получено уравнение множественной регрессии, которое использовано для анализа.влияния факторов

S-4,3-3 1,3еш+б31,8бр-343/бн~'-4,3?)н1<, мм2, (18)

где hu*- мощность неустойчивых пород. Множественное корреляционное отноиение 0,652, его надежность 9,Наиболее сильно влияющие факторы: глубина шпура и предел прочности пород на растяжение, уравнения чистых регрессий для которых приведены низке

S=ti?-3f/3 €ш , нм2 j (19)

■ S"-2t9+b3f,ä6p, мм2 (20),

С увеличением глубины впура проницаемость пород уменьшается, что хороио подтверждается 'уравнением, в котором использованы отно-

сительные значения проницаемости

, , (2D

о

где^0- "относительное значение (Проницаемости рассматриваемой части шпура; &е - эквивалентное отверстие рассматриваемой части ¡тура, мм ; S - суммарное эквивалентное отверстие всего шпура, мн . .Корреляционное отношение 0,72, его надежность 14,9, средняя ошибка апроксимацйи 20,9%.

8 массиве сильно нарушенная зона распространяется на 0,45 -1,25 м или на 0,47 - 1,56 мощности пласта и зависит в основном от прочности пород

■£„ ~тп (-0,2 + f,6 бр'), м ' . (22)

Корреляционное отношение 0,82, его надежность 9,1, ошибка апро,-ксимации 15,1 %. Таким образом, глубина разрушенных и обладающих резко отличными от остального массива фильтрационными свойствами пород впереди лавы незначительна.

Фильтрационная анизотропия исследована по 13 шпурам. Изучена проницаемость нарушенных пород по четырём направлениям относительно оси шпура. Карувенные породы впереди лавы неоднородны и анизотропны по фильтрационным свойствам. Для всей совокупности участков пород коэффициент анизотропии проницаемости составил 3,33 при максимальном значении 11,1.

На основании анализа результатов исследований сделаны слет дующие, выводы: фильтрационные свойства кровель на сопряжениях лав с выработками и на протяженных участках лав существенно различны; проницаемость в среднем в 1,7 раза, больше, а размер зоны сильно нарушенных пород на сопряжениях лаа с выработками больше в 2 - 3 раза; породы кровли неоднородны и анизотропны; проницаемость нижней относительно оси части поверхности шпура в 1,5 -2,0 раза меньше, чем по другим направлениям.

СеЯсмоакустические свойства кровель исследованы "для трех групп условий: на сопряжениях лав с выработками методом зондирования; на. протяженных участках лав методами зондирования и профилирования. На. сопряжениях : лав о выработками совместные исследования проницаемости пород и. интенсивности сейсмоакустических BOJyi проведены на 7 замерных станциях при бурении 10 шпуров; сделано 201 измерение интенсивности сейомоакустического сигнала и 77 из--мерений прницаемости пород.

Связь кежду проницаемостью пород на сопряжениях лав с выработками и интенсивность» сейсмоакустических волн, полученная после обработки статистических данных, следующая

З^Ы+бЗбТбАср)*^',. ыи2, . (23)

где Яс/> =» +А015п)/2 - средняя интенсивность сейс-

моакустических волн, измеренных слева и справа от шпура на расстоянии 0,5 м при глубине 'шпура 1,8 - 2,0 м, мкА; €3 - участок шпура, для которого определяется эквивалентное отверстие, м. . Корреляционное отношение 0,93, его надежность 21,1, ошибка апро- ■ ксимации 17,1%. Расхождение измеренных в шахтных условиях и вычисленных по формуле. (23) значений эквивалентного Отверстия составило 1С, 7 . г - - -

Параллельные исследогания/'сейсмоакустических свойств нарушенных кровель методом зондирования и фильтрационных свойств методом воздушного опробывания трещиноватости через одни и те же 22 шпура выполнены на протяженных участках нарушенной кровли в 9 лавах. Уравнения множественных регрессий:

в =266,8 ~ 3 2,7 £л А+26938, 7Н~'-5д, \ (24)

А" 2743,6-8,83 -1,72 Н-431,4€~с1/, (25)

для которых множественные корреляционные отношения 0,724 и 0,65 и коэффициенты надежности множественных корреляционных отношений, соответственно, 7,29 и 5,39, проанализированы, на их основании получены уравнения чистых регрессий:

3-278,3~32,?£пА ; . (26)

у А = 1306,5-.8,8 Э , (27)

которое отражают взаимную зависимость фильтрационных и сейсмоакустических свойств нарушенных массивов впереди очистных забоев..

Для прогноза проницаемости кровли рекомендуется зависимость

Л - 274,6 21, 7{>„А - 6 7,2-Сш , мм2 (28)

Множественное корреляционное отношение 0,638, коэффициент надежности множественного корреляционного отношения 4,92, средняя ошибка апроксимацпи 51,23 %.

Сейсмсакустические свойства кровель изучены методом профилирования на 16 протяженных участках II лав, условия отработки ко-.

-

торых. следующие: мощность пласта 0,6- 1,5 м; глубина разработки 380 - 995 м; предел прочности породына растяжение 2-8 мПа; скорость подачи комбайна 1,0 - 3,6 м/мин. Приемник волн распола-, гали на расстоянии 2-12 м от источника сейсмоакустических волн - работающего исполнительного органа комбайна. На'Зюех участках с устойчивой кровлей показания прибора ЛС-01 были в 1,5 - 2,0 раза больше, чем на протяженных участках неустойчивой кровли, которая об ручалась после выемки угля комбайном.

Для выявления характера зависимости интенсивности сейсмоакустических волн от геологических и технических факторов, и для выбора места расположения приемника волн относительно источника проанализированы уравнения множественных регрессий, полученные на основании обработки статистических данных:

Ау~г87,8е~'-412,1б}'-2?56д,ЗН~'+1?1ЭР+/6),2; (29) Ан=ге1,8-е~'-172,3б}'-2Э97бН~'+9,ЗР <-Г31,3, - (30)

где Ау , Ам - интенсивность измеренного сейсмоакустического сигнала, соответственно, на участках устойчивой и неустойчивой кровель, мкА; -С - расстояние от источника сейсмоакустических волн до приемника, м; Р - условная мощность сейсмоакустических волн 7° = тгтГу ; - скорость подачи комбайна, м/мин;

Г - ширина захвата комбайна; т - мощность пласта. Множественные корреляционные отношения; 0,76 для уравнения (¿9); 0,81 для (30) и коэффициенты надежности множественных корреляционных отношений, соответственно, 6,63 и 6,12. Согласно уравнениям чистых регрессий

ч-28?,8-е~' ; (31)

Ан"2712+Ш1,8^-1 . (32)

на расстояниях 2 - Ч м от источника волн интенсивность сейсмоакустических волн на участках с неустойчивой кровлей в 1,6 раза меньше, чем на участках о устойчивой кровлей. ••

Для оценки поверхности купола обрушения кровли над угольным частом в лаве использованы замери параметров трещиноватости и пециальные исследования в II лавах пологих пластов. Обработанные (энные о морфологии поьерхностей: мощность обрушавдихся слоев ¿0 - 600 мм; расстояние между трещинами вдоль лавы 5 ...1000 мы; выступы между слоями в пределах ширины захвата комбайна от Ц до 700 ни; выступи вдоль слоя 5 ...500 мм; поверхности кеобруиапщих-■я слоев: ¡:.ерохоыатие, нероЕж;е, волнистые, гладкие, зеркальные.

Таким образом, наклонные поверхности в месте вывала породы над пластом представлены 1-...6 слоями породы кровли с отклонениями от срединной поверхности до 400мм; кирина раскрытия трещин на поверхности вывалов I ...10 мм; угол встречи основной системы трещин с лавой для болылинства условий-составил 5 - 10 0 .

Концентрация водородных ионов водных вытяжек из пород, которая является важной характеристикой морфологии пород, изученная для условий ПО "Стахановуголь", в 98 % случаев была более 7, т.е. упрочняемые породы щелочные. Применительно к бесшнуровой технологии упрочнения пород исследована кинетика изменения рН раствора в зависимости от площади контактирования породы с кислотным от-вердителем и времени взаимодействия породы с составом до его от. вервдения. Установлено, что с увеличением площади и времени контактирования пород с раствором кислоты рН раствора увеличивается.

Предложенная типизация кровель, которые обрукаются в приза-бойном пространстве при выемке угля на протяженных и концевых участках лав, основана на результатах исследований свойств нару-^ ¡венных кровель. Классификационный признак - остаточная прочность склонных к обручению в призабойиом пространстве пород. Критерий для разделения.на типы'- интенсивность волн при сейсмоакустичес-ком зондировании кровли/Типизация содержит 5 типов, охватывает все литологические разновидности пород, входящих в массив простого или сложного, строения; в последнем случае определяющими являются, свойства нижнего слоя или пачки слоев кровли. Типизация предназначена для выбора способа упрочнения, определения объема и области применения различных способов упрочнения кровель.

Четвертая глава посвящена определению параметров технологии упрочнения кровель нагнетанием составов.

Парметры технологии упрочнения: длина шпура, глубина герметизации, .расстояние между щурами; углы наклона шпура к плоскости напластования и относительно линии забоя; производительность 'установки и'др. зависят от свойств упрочняемого массива, важнейшим из которых является проницаемость пород. В методике определения параметров упрочнения предусмотрено измерение проницаемости пород.в конкретных горно-геологических условиях косвенным методом - по интенсивности сейсмоакустических волн, проходящих через массив от резца, разрушающего породу при бурении шпура.

• В связи с существенными различиями проницаемости пород на пр-отякенных участках лав и на сопряжениях лав с выработками, па-

раметрц технологии определяются раздельно для этих условий. Длина ипура и глубина герметизации определяются по измеренному ' в месте работ по упрочнению кровли значению интенсивности сейс-моакустических.волн. Для этого на рис. I откладывается точка, абсцисса которой равна 2,0 м; а ордината соответствует измеренному значению интенсивности сейсмоакустических волн. От этой точки проводятся кривые в обе стороны до пересечения с прямыми I и 2, которые являются границами фильтрующей части шпура. Эквивалентное отверстие справа от прямой I не превышает 10 % от общего для выбранной длины мура, а прямая 2 делит пополам эквивалентное отверстие для всего, шпура.

мм г

400

300

гоо

700

о

/ /

// чр

/у 50& /

500 )

п г / 1

Рис. I. Зависимость эквивалентного отверстия от глубины шпура и интенсивности сейсмоакуатических волн на сопряжениях лав о выработками.

В таблице приведены параметры расположения ипуров на сопряжениях лав с выработками для упрочнения пород нагнетанием составов.

Параметры массива и шпуров •

Показатель Параметр

Интенсивность сейсмоакусти- менее 150 151 - 201 - 301 -

ческих волн, мкА 200 300 500

Длина шпура, м ч.о 3.0 2,5 2,0

Глубина герметизации, и 1,2 0.9 0,7 0,6

Расстояние между и:пурани, :«: безнигевая выемка при наличии ним! 1.5 : з.о 1.3 2.6. 1.0 2.0 оо мсм

Расстояние нехду глура.-:и определяется с учетом закономерноо-

21 '

тея проницаемости, мощности неустойчивых пород, мощности .упрочняемого слоя и требования минимального расхода скрепляющих составов'

Кн , М, (33)

где А - мощность неустойчивых пород, м; Кн- коэффициент, учитывающий неравномерность проницаемости пород на фильтрующем участке .шпура, = 0,6; Л^ - коэффициент,-учитывающий анизотропию проницаемости, Ка- 1,3. Тогда ■Смщ'-А при А & А,; т?мШ=А, при А >Ь1 , где ^ - расчетная мощность упрочняемого слоя, и, согласно уравнению (34)..

На рис. 2 приведена зависимость ¡эквивалентного отверстия от глубины шпура и интенсивности сейсмоакустических волн на протяженных участках лав; кривые построены по уравнению (28). Подсчитанное эквивалентное отверстие на участке шпура длиной от 2 м

ммг т

80

40

и г,о г,о £ш,м

Рис. 2. сависпмость эквивалентного отверстия от глубины шпура и интенсивности- сейсмоакустических волн .на протяженных /част- • 'ках лав

Ао 4 н составляет кенее 10 % от общего значения, поэтому во всем диапазоне проницаемости .( А = Г5С ...300 иг.А) длина впура принимается равной 2 Глубина герметизации при условии равенства величин эквивалентного-отперстш на '¡.'нльтрующем участке и на участке герметизации принимаетеа равной 0,6 м, т.е. в пределах зоны сильно нарушенных пород. На протяженных .участках лав относе-ние ЛяльтгувцеЯ части мтура к его длине такое же, как и цдя со-прляение лав с выработка?*« - 0,7.

И8

/ У

к

у

1

Методика расчета мощности упрочняемого слоя породы в лаве основана на следующих положениях: прочность скрепляющего материала не превосходит существенно прочность породы; упрочненные впереди угольного забоя породы под влиянием опорного давления, процессов выемки угля и крепления лавы разбиты на плиты параллельными забою трещинами, расстояние между которыми равно ширине захвата комбайна. Таким образом, рассматривается устойчивость искусственно созданной отдельности кровли, соизмеримой о параметрами выемки угля и крепления лавы. Мощность упрочняемого олоя определяется.для консольной балки, нагруженной весом слабых пород, склонных к обрушению в призабойном пространстве лавы.

где - объёмный вес пород, Н/м¡1 - мощность пород, склонных к обрушению в призабойном пространстве лавы, м; ■€ - необходимая по условиям технологии крепления длина устойчивого обнажения кровли вдоль лавы, м; Г - ширина захвата комбайна, м; -£с - ширина секции, м; а - I, коэффициент, учитыва-вщий решение плоской задачи, м. Согласно расчетам по формуле (34) в лавах с механизированными крепями достаточно упрочнить слой мощностью 0,5 - 1,7 м в зависимости от прочности пород и мощ- . ности склонных к обрушению пород, т.е. не на всю толщу, а 30 - 50 % её мощности. В лавах с индивидуальной крепью упроч- . ненный слой мощностью до' I - 2 м при прочности пород на растяжение 4 - 2 мПа может быть неустойчивым.

На рис. 3 представлена зависимость производительности нагнетательной установки от давления нагнетания в диапазоне параметров расположения шпуров, приведенных в таблице.

&НЮ3,

0,4

о, г

° г 4 5 аР, м!?а

- сопряжения;;---протяженные участки лав

Рис. 3. График для определения произиодительиости установки

Г

322-

. / ¿00

"7 _Л52. 500

Современные нагнетательные установки имеют производительность до (0,2 - 0,3)10~3 м3/с и давление до 16,0 мПа, т.е. пригодны для нагнетания в лавах и'для большинства условий сопряжений лав о выработками, кроме сильно нарушенных пород, где возможно применение установок с производительностью в 2 - 3 раза большей.

На основании выполненных исследований в методических указаниях для практического применения на шахтах производственных объединений параметры упрочнения нагнетанием составов рекомендуется определясь таким образом: измеряется интенсивность сейсмо-акуотичеоких волн при бурении шпура, по которой определяют его длину, глубину герметизации и расстояние между шпурами, значения которых приведены в табличной форме. На протяженных участках лав длина шпура 2,0 м, глубина герметизации 0,6 м, расстояние мезеду шпурами до 3 м.

Основные вопросы технологии: исследование и выбор скрепляющих составов; подбор и совершенствование оборудования; параметры расположения шпуров для нагнетания составов , способы и средства контроля состояния массива горных пород начали разрабатываться под руководством автора диссертации в Донбасском горно-металлургическом институте о 1973 года. Результаты исследований внедрены на 14 шахтах ПО "Стахановуголь", ' "Интауголь", "Ровенькиантраиит" и др. путем применения технологии упрочнения с оперативно определенными параметрами на участках упрочнения. Экономический эффект составил 460 тыс. руб. за счет сокращения затрат на добычу угля . при одновременном увеличении добычи и повышении производительности труда рабочих.

В пятой главе разрабатывается бес шпуровой способ упрочнения кровель в очистных забоях.

Основной параметр бесшпурового способа упрочнения пород -реакция скрепляющего слоя исследована на моделях из эквивалентных матералов. Методом априорного ранжирования установлено, что из 22 факторов при моделировании можно учесть только несть факторов: мощность слоя (Л: = 0.2 - 0,4 м); мощность склонных к обрусении пород ( А = 0,8 - 1,6 м); расстояние между трещинами ( ¿7 «= 0,2 - 0,4 м); угол встречи трещин с лавой (у? = 0 - .0,261. рад.); угол наклона трещины к напластованию (У = 1,25 - 1,57 рад); ширину, захвата комбайна ( Л = 0,4 - 0,8 м).Й работе использован рототабельный центральный композиционный план второго порядка для шести факторов. Первый блок включал. 20 опытов. Всего отработано 23 модели с 54 участками условий. Ошибка воспроизводимости при

реализации параллельных опытов составила 39,0 %,

Уравнение регрессии, полученное на основании обработки даи-■ них первого блока плана в размерностях модели

RM =û,5'0,1?h -D,012hc + 0,4Ja ~0\42j3~0,5y>+0,S6 Г | H. Ю/м, (35)

адекватно описывает результаты опытов, так как вычисленное значение критерия Фи а ера Fp - - 2,22 F о, os (/о, /?) ~ 2,45. Дисперсия коэффициентов регрессии Sz(6iJ = 0,031, доверительный интервал лб = 0,37. Коэффициенты регрессии, кроме коэффициента при /гс, • значимы.

На основании обработки результатов моделирования на всех моделях получено уравнение множественной регрессии для определения реакции скрепляющего слоя ( в размерностях натуры )

R=3.7-t,45r'i-0,03/(j3+o,0f7)~'-0.2aa'+r,?h~'-8,3 <f~\ Н/мм (36)

Множественное корреляционное отношение 0,781, его надежность 6,38.

В диапазоне изменения мощности неустойчивых пород от 0,2 до 1,0 м были отработаны дополнительно модели, получено следующее уравнение _ . •

R ~ t,5 + 9,8 h ~ 7,0 h*, Н/мм (37)

Корреляционное отношение 0,9, его надежность 6,92, ошибка апрокси-мации 3,7 %.

Максимальная реакция при наиболее неблагоприятных факторах: г = 0,8 м; А = 0,8 м; а- 0,4 м; у = 90 град в зависимости от угла встречи трещин с лавой в диапазоне 0-30 град определяется по уравнению

R — 4,7 - 0,1J3 , Н/мм, ' (36)

где J3 - угол вотречи трещин с лавой, град. .Коэффициент корреляции 0,69, его надежность 5,7, ошибка апроксимации 45,8 %.

На основании анализа результатов отработки моделей из эквивалентных материалов выявлены следующие закономерности: в формировании реакции скрепляющего слоя участвует только часть обнажаемых при выемке угля и склонных к обрушению пород, что составляет от 5 до 30 ,1 их массы; наибольшее влияние на величину реакции скрепляющего слоя оказывают: ширина захвата комбайна, угол встречи трещин с лавой, расстояние между трещинами; реакция скрепляющего

слоя по его высоте не одинакова, она увеличивается с увеличением расстояния от пласта до величины, равной ширине захвата комбайна, и.при дальнейшем увеличении расстояния от пласта - уменьшается; максимальная реакция составляет 5, ОН/мм.

Для создания скрепляющего слоя в шахтных условиях разработана полимерная композиция на основе карбамкдной смолы следующего состава,, мае. %: карбакидная. суола КФ-СОлТ - 70; поливинилацетат-ная дисперсия - 2-5 - 28; щавелевая кислота 2-4, предел прочнос-- ти на растяжение которой через б часов после отзерядения 2-3 мПа через 22 часа 4,2 - 8,6 мПа в зависимости от состава.

Бесшпуровой способ упрочнения пород испытан на трех шахтах. Для набрызга композиции ДПШ разработана и изготовлена установка, состоящая из двух баллонов ёмкостью по 0,05 м' кавдый, продуктовых шланг для раздельной подачи компонентов и трёхсопловой форсунки для смешения компонентов в воздухе. Производительность установки 0,0001 м"Ус, давление оттого воздуха 0,5 - 0,6 мПа. Положительные результаты были получены в 14 вост. лаве пласта К? на участке длиной 10 м при высоте вывала 1,0 м и в обходной выработке, примыкающей к лаве на участке длиной 7,0 и. Кровля - трещиноватый аргиллит; расстояние между трещинами 0,1 - 0,2 м; угол встречи трещин с лавой 5 град. Скрепляющий слой толщиной 5-20 км из полимерной композиции на основе смолы КФ-СОлТ предотвратил обрушение пород в лаве и в обходной выработке.

В более сложных условиях на сопряжении конвейерного штрека с лавой .'>680 пласта на шахте ин. Ф.Э. Дзержинского Г!0 "Говеньки-антрацит" при неустойчивых пордах неоднородного строения мощностью более 2,0 и и при зеркальной поверхности не обрубающегося слоя пород применен комбинированный способ упрочнения пород, ко-■ торый включает химическое анкерование, нагнетание составов, создание скрепляющего слоя. Для нагнетания и создания скрепляющего слоя использовался состав на основе карбаиидной смолы и поливи-нилацетатной дисперсии. Длина, упрочненного участка 200 м.

На основании шахтных исследований доказана возможность бесшпурового способа упрочнения кровель в лавах и установлен основной параметр технологии - толщина скрепляющего слоя, достаточная для удержания пород от обруьенил, из разработанного состава додана быть в пределах 5 - 20 км. Область первоначального применения бес.шуроЕОГО способа упрочнения пород - крупноблочные нарушенные породы в лавах, оборудованных кеханлзированними крепями, а также в комбинации с другими способами упрочнения.

Ьейтая глава посвящена аналитическим исследованиям реакции скрепляющего слоя н обосновании параметров автоматизированной иа-лооперационной системы контроля состояния и упрочнения кровли в ' очистных забоях.

ЗкрснлявеиП слой создают набрызгом составов на1 поверхность винала поводы в лаве. Отверзденный состав скрепляет отдельные куски, блоки породы в прочную стенку, прикрепляет её к необрусаю-щинол /городам, предотвращая развитие вывала из кровли при выемке следующей полосы угля. При постановке задачи приняты следующие допущения: порода отрывается под действием собственного веса после преодоления связи с необруц.ающимся слоем; породы ведут себя как сыпучая среда.

На рис. 4 приведена расчетная схема. Скрепляющий слой рассматривается как подпорная стенка, в качестве второй подпорной стенки служит пассив. Для определения положения линии скольжения, по которой возможно сползание пород, использовано рег.ение В.Б. Соколовского задачи определения активного давления на парные подпорные стенки. После решения уравнений равновесия для системы сил, изображенных на рис. 4, получено уравнение для определения реакции скреплявшего слоя

Я=уг6к-бг-С/!к+О,5угАа-С'Ап[Г1-сйуЗ'с£?0в-у>)](39) где у - объемны:'5 вес пород, Н/м3; ^-критическая высота, м

б - прочность на отрыв между слоями, мПа; С - сцепление пород в массиве, мПа; ~ угол внутреннего трения, град.; Л>п - высота слоя в предельном состоянии, н; ¿''- сцепление по линии скольжения, мПа; ^р - угол между линией окольиеийя и-линией напластования пород, град; у - угол ме;/ду нормалью к линии скольжения и реакцией со стороны массива, грая,.

Приведен анализ влияния параметров, характеризующих трещиноватый, слоистый массив: предела прочности на стрив, сцепления пород (6 = 2 кПа, £-4 кПа, ^р - 9 грз.'О. Характер изменения реакции скрепляющего;слоя при изменении высоты удерживаемых пород по .¡юр-муле Х3;0 и. зависимостям и (3?), полученным на основания'мо-делирокаии;! эквивалентными сатерпалами, одинаков.

Систем?!,. ло2воляЕкац автоматически определять 'врет и место

Рио. А. Расчетная схема для определения реакции скрепляющего слоя

нахождения участка неустойчивой кровли в лаве при выемке угля комбайном и упрочнить этот участок, предотвратить обручение кровли в призабоГшом пространстве лавы предложена автором диссертации. Решена основная задача создания системы контроля состояния и упрочнения кровли, её геомеханической основы, задача определения регламентирующего параметра технологии - необходимой прочности защитного слоя на вновь обнажаемой поверхности кровли.

Защитный слой деформируется совместно с кровлей и удерживает от выпадения породы, находящиеся в образовавшемся куполе обрушения. Задача сведена к нахождению прогиба гибкой мембраны. Отвер-вденный слой испытывает деформации не только от веса пород.внутри ^контура обручения, но. и .вследствие растяжения и сжатия массива пород, которые происходят интенсивно под влиянием процессов выемки угля и передвижения секций крепи или посадки кровли в лаве. Рассмотрены три расчетные схемы для равномерно нагруженной квад-. ратной иекбраны, решение для которой выполнено на основе энергетического метода С »П. Тимошенко.

На. рис» 5 показана зависимость толщины 'защитного моя от предела прочности скрепляющего состава на растяжение и мощности

склонных к обрушению пород. Согласно расчетам для создания слоя толщиной 0,5 - 2,0 мм необходимы смолы с пределом прочности на растяжение 35 - 15 мПа, модуль упругости которых 10 - - Ю4 мПа, а относительная деформация Ю-'1 - 10~3. \

Рио. 5. Зависимость толщины защитного слоя от свойств состава.. I - Е = Ю3; 2 - Е = Ю4; -- Н = 0,3 м;

.-----^ = 0,5 м;-----А = 0,8 м . - ;

Разработаны требования и обоснованы параметры автоматизированной малооперационной системы контроля состояния и упрочнения кровли в очистных забоях: автоматическое измерение интенсивности сейсмоакустических волн от работающего исполнительного органа комбайна приемником, прижатым к кровле и перемещающимся с комбайном; расстояние между приемником и источником волн в пределах от 2 до Ц м; критерий неустойчивого состояния кровли - интенсивность сейсмоакустических волн в 1,6 раза меньше базового значения заранее определенного для устойчивого состояния кровли; прочность отвержденного состава на растяжение 15 - 35 мПа, модуль упругости 10^ - 104 мПа в зависимости от толщины защитного слоя в пределах 0,5 - 2,0 мм; время отвервден-ия состава до 30 с; устройство для набрызга - автономные ёмкости в аэрозольной упаковке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ-

В диссертации дано решение крупной научной проблемы, заключающейся в раскрытии закономерностей взаимной связи между фильтрационными, сейсмоакустическими, структурно-механическими свойствами нарушенных пород, для создания системы контроля ооото-яния и упрочнения кровли в очистных забоях, обеспечивающей повы-

шение эффективности их работы в условиях неустойчивой кровли.

Основные научные и практические результаты проведенных исследований:

1. Установлены новые количественные зависимости, раскрывающие закономерности взаимной связи между фильтрационными, сейсмоакусти-чесхими, структурно-механическими свойствами неустойчивой кровли, учитывающие особенности проявления горного давления на протяженных участках лав и на сопряжениях лав с выработками, согласно которым: проницаемость кровель на протяженных участках лав и на сопряжениях лаве выработками существенно различны: проницаемость больше в среднем в 1,7 раза, а размер зоны сильно нарушенных пород в 2 -3 раза на сопряжениях лав с выработками; выявлена тесная связь между фильтрционными и сейсмоакустическими свойствами при шпуровом зондировании нарушенных кровель в окрестности очистного забоя; интенсивность сейсмоакустических волн от работающего исполнительного органа комбайна при сейсмоакустическом профилировании различна для участков устойчивого и неустойчивого состояния кровли; породы кровли неоднородны и анизотропны по фильтрационным свойствам; коэф фициент фильтрационной анизотропии в среднем равен 3,55, проницаемость нижней относительно оси части поверхности шпура в 1,5 -2,0 раза меньше, чем по другим направлениям.

2. Сформулированы теоретические основы принципиально нового бесшпурового способа упрочнения кровли в лавах. Исходная эмпирическая основа получена в результате отработки 23 моделей из эквивалентных материалов в виде количественных зависимостей и закономерностей формирования реакции скрепляющего слоя: в формировании нагрузки на скрепляющий слой участвует только часть обнажаемых при выемке угля склонных к обрушению пород, которая составляет от 2 до 30 % их массы; большое влияние на величину реакции скрепляющего слоя оказывает ширина захвата комбайна и угол встречи трещин е'лавой; реакция скрепляющего слоя распределена по его высоте неравномерно, она увеличивается с увеличением расстояния от пласта до величины, равной ширине захвата комбайна, и при дальнейшем увеличении расстояния от пласта - уменьшается; максимальная реакция составляет 5 Н/мм.

Исходной теоретической основой является выявленный характер деформирования участка кровли, сложенной твердыми слоистыяи трещиноватыми породами и упрочненной по бе с шпуровому способу, подобны):

деформированию сыпучей среды. Аналитическое определение реакции скрепляющего слоя основано на решении задачи теории предельного равновесия сыпучей среды для определения активного давления на парные подпорные стенки, в качестве которых служат скрепляющий слой и массив пород над угольным пластом. Аналитический метод позволяет расширить учет влияющих параметров, оценить область возможных решений.

3. Предложены аналитические методы расчета параметров воздействия на массив и учитывающие его свойства, которые позволяют, проектировать и обосновывать параметры технологии упрочнения кровель. Аналитическая зависимость для расчета мощности упрочняемого полимерным составом слоя кровли, которая учитывает зависание искусственно созданной отдельности кровли вдоль лавы, тип крепи, параметры процессов выемки угля и крепления лавы, используется при определении расстояния между шпурами в технологии упрочнения кровель составами. Метод расчета параметров защитного слоя на поверхности кровли, основанный на решении задачи о прогибе гибкой мембраны, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой от веса пород в пределах купола обрушения, учитывает деформацию кровли под влиянием процессов выемки угля и крепления лавы.

Установлены количественные зависимости для определения интенсивности сейсмоакустических волн от работающего исполнительного органа комбайна, учитывающие устойчивость кровли; разработан на их основе критерий определения границ неустойчивого состояния кровли, обнажаемой при выемке угля.

г). Разаработаны методы оперативного контроля состояния кровли: определения проницаемости нарушенных пород по интенсивности сейсмоакустических волн от резка, разрушающего породу бурении шпура; установления границ участков неустойчивой кровли в лаве по интенсивности сейсмоакустических волн от работающего исполнительного органа комбайна.

6. Обоснованы параметры расположения шпуров для упрочнения нагнетанием составов: на сопряжениях лав с выработками длина апурол от 2 до ^ м при интенсивности сейсмоакустических волн от 150 до 500 мкА; на протяженных участках лаа длина шпура не более 2,0 м; расстояние между шпурами от I до 3 м в зависимости от мощности обрушаюцихся пород, обеспечивающие создание устойчивого слоя упрочненных пород при минимальных затратах на скрепляющие составы и выполнение работ.

7. Предложены и апробированы способы и средства для создания системы контроля состояния и упрочнения кровли в очистных забоях. БесшуровоЯ способ упрочнения кровель на протяженных участках лав успешно испытан на 5 участках; комбинированный способ упрочнения пород апробирован в шахтных условиях при упрочнении пород на участке сопряжения лавы с выработкой, длина которого превысила 200 м,

Скрепляющий состав для набрызга на поверхности кровли и нагнетания через шпуры в массив, мае. %: карбамидная смола КФ-СОМТ - 70; поливинилацетатная дисперсия - 26-28; щавелевая кислота - 2 - 4 имеет прочность после отверждения от 3,0 до 8,2 мПа на разрыв через 6-22 часа, соответственно. Стоимость композиции в 5 раз меньше, чем полиуретановых составов.

Разработанная нагнетательная установка и инъектор для раздельного нагнетания двух компонентов использованы для упрочнения пород на угольных шахтах. Герметизатор шпура с секторной испытательной камерой пригоден для исследования анизотропии проницаемости пород.

8. Обоснованы параметры автоматизированной малооперационной системы контроля состояния и упрочнения кровли в очистных забоях: расстояние между источником сейсмоакустических волн

- работающим исполнительным органом комбайна и приемником в пределах 2 - 4 м; критерий неустойчивого состояния кровли -интенсивность сейсмоакустических волн в 1,6 раза меньше базового значения, заранее определенного для устойчивого состояния кровли; толщина защитного слоя от 0,5 до 2 мм в зависимости от предела прочности на растяжение отверждекного состава в диапазоне от 15 до 35 мПа и модуле упругости 1(Р -Ю^-.мПа; время отверждения состава до 30 с.

9. Определены укрупненные показатели нарушенное™ кровель угольных пластов Донбасса, объем и область применения химического способа упрочнения кровель в лавах. Площадь ложной кровли составляет 4 млн. м^. длина нарушений 50 тыс. м в пределах выемочных полей, отрабатываемых за год. Предложена типизация только неустойчивых, обрушающихся на отдельных участках лавы кровель, классификационный признак которой - остаточная прочность пород, а критерий разделения на типы - интенсивность сейсмоакустических волн при зондировании кровли через шпур. На шахтах Донбасса ежегодно необходимо расходовать для упрочнения пород 18,0 тыс. тот

составов и 1,8 млн. анкеров с химическим закреплением.

Система контроля состояния и упрочнения кровли внедрена на 14 угольных шахтах, получен экономический аффект в сумме 460 тыс. руб. .

Основные научные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Клишин Н.К., Козырев В.Г., Чернявский A.B., Ефименко A.A., Тоцкий A.B. Анализ работы механизированных лав комбината "Кадиев-уголь"// Технология добычи угля подземным способом. - 1976. - №5.

- С. 18 - 19.

2. Клишин Н.К., Козырев В.Г., Чернявский A.B., Ефименко A.A., Тоцкий A.B. Опыт моделирования показателей работы лав комбината "Кадиезуголь"// Технология добычи угля подземным способом. - 1976.

- Кб. - С. 9 - 10.

3. Клицжн Н.К., Савенко Ю.§., Ефименко A.A. Применение синтетических смол для укрепления нарушенных участков кровли в лавах/Дголь Украины. - 1977. - КГ. - С. 25 - 29.

4. Клишин Н.К., Ефименко A.A. Упрочнение нарушенных кровель нагнетанием скрепляющих растворов//Добича угля подземным способом. - 1977. - №9. - С. 30 - 33.

5. Клишин Н.К., Ефименко A.A. Применение синтетических смол для упрочнения нарушенных участков кровли: Тез. докл. на науч.-техн. Всёс. конф. - Днепропетровск: 1977. - С. 35.

6. Клишин Н.К., Буйденко П.А., Ефименко A.A. Упрочнение нарушенных кровель анкерами на шахтах объединения "Кадиев;голь"// Добыча угля подземным способом. - 1977. - №12. - С. 28 -.30.

7. Клишин П.К., Ефименко A.A. Трещинная проницаемость пород кровли на сопряжениях лав с выработками//Добыча углЯ подземным способом. - 1978. - №2. - С. 20 - 21.

8. Клишин Н.К., Ефименко A.A. Оценка состояния нарушенное™ пород перед их упрочнением// /голь Украины. - 1978. - £12. -

- С. 13 - 15.

9. Клишин Н.К., Ефименко A.A. Укрепление сопряжений подготовительных выработок с очистными: Зкспресс-информ./ЦНИЗИуголь, ЦБНТИ Минуглепрома УССР. - М.: 1979. - С. 23 - 32.

10. Клишин Н.К., Пятаченко A.A., Ефименко A.A. Анализ на-рушенности кровель .Донбасса применительно к химическому способу упрочнения.пород// Технология добычи угля подземным способом

- 1980. - ¡HI. - С. 28 - 31.

11. Чельцов B.B., Кочев Г.М., Клишин H.K. Упрочнение пород

в подготовительных выработках//.Уголь. - 1981. - №5. - С. 24 - 27.

12. Клишин Н.К., Сребный М.А., Челыюв 3.Ö., ЯрошЕ.Е., Иевлев В.И. Специальные методы упрочнения пород на шахтах Интинс-кого месторождения: Зкспресс-информ./УШШуголь. - М.: 1982. -

8 с.

13. Клишин U.K., Пятаченко A.A., Ефименк.о A.A., Данилов A.A. Закономерности фильтрационных свойств нарушенных кровель в лавах //Подземная разработка угольных пластов тонкой и средней мощности: Сб. науч. тр./ Т1Ш. - 'Гула: 1983.'- С. 86 - 90.

I*). Костомаров U.E., Кутелов fcj.II., Клишин U.K. Использование смолы для уменьшения пучения почвы в штреке//Уголь. - I9C6. -»II. - С. 24 - 25.

15. Клишин Н.К., Васильев В.В., Редченко H.H. О состоянии кровель угольных пластов Донбасса// Уголь Украины. - 1987. - 1£2.

- С. 14 - 15.

16. Клишин Н.К., Марченко Г.А. Исследование реакции скрепляющего слоя//Из.вестия вузов. Горний журнал. - 1987. - №12.

- С. 21 - 24.

17. Клишин Н.К.„ Томашев H.H. Исследование карбамидных смол применительно к бесшнуровой технологии упрочнения кровель в ла-вах//Разработка месторождений полезных ископаемых: Респ. межведомственный науч.-техн. сб./ДНИ. - Киев: Тэхника, 1988.

- С. 97 - 101.

18. Клишин H.F., Марченко Г.А., Васильев B.B. Разработка бесшпуровой технологии упрочнения кровель в лавах//,Уголь. -1989. - №5. - С. 30 - 32.

19. Клишин Н.К., Пятаченко A.A., Рак U.M. Совершенствование технологии упрочнения кровли в лавах//Уголь Украины. - 1988. -Кб. - С. 14 - 15.

20. Клишин Н.К., Пятаченко A.A. Расчет мощности упрочняемого слоя кровли в лаве//Подзешшя разработка тонких и средней мощности угольных пластов: Сб. науч. тр./ТПИ. - Тула: 1991. -

С. 83 - 87.

21. Клишин Н.К., Пятаченко A.A., Данилов A.A. Применение комбинированного способа упрочнения кровли в лавах объединения "Розенькиантрацит": Новые технологии и оборудование горн, работ: Тем. сб. кауч. тр./АГМ'Л. - Киев: 1993. - С. 23 - 27.

22. A.c. 810971 СССР, М.Кл.3 Е 2IC 41/04. Способ поддержания кровли/'Н.К. Клишин, A.A. Ефименко, A.A. Пятаченко, Ю.Ф. Са-веяко (СССР). -.»2763100/22-03; Заявлено 04.05.79; Опубл. 07.03.81, Бил. »9. - 1981. - С. 130. ■

23. A.c. 626003 СССР,' М. Кл.Э Е 21Д 21/00. Инъекционный анкер/ A.A. Ефименко, H.H. Клишин, A.A. Пятаченко, А.Г1. Широков, В.В. Давыдов (СССР). - 2810757/22-03; Заявлено 13.08.79; Опубл. 30.04.81, Бпл. №16. - 1981. - С. 170.

24. A.c. 1010202 СССР, М.Кл.3 Е 02Д 3/12. Инъектор для нагнетания в грунт двухкомпонентных закреплявших растворов/ U.K. Клишин, A.A. Пятаченко, В.П. Петруновский, В.В. Чельцов, В.И. Иевлев (СССР). - 3356268/29-33; Заявлено 16.II.81; Опубл. 07.04.83, Бвл. »13. - 1983. - С. 182.

25. A.c. 1273562 СССР, М.Кл.4 С 41/04. Способ охраны горних выработок/ A.A. Пятаченко, U.K. Клишин, Г.А. Аверин, Ю.$. Савен-ко (СССР\ - 3929959/22-03; Заявлено 17.06.85; Опубл. 30.11.86, Бпл. №44. - 1986. - С. 117.

26. A.c. 1437503 СССР, М.Кл.'1 Е 21Д 20/°0. Полимерный состав для набрызга/Н.К. Клиеин, A.A. Пятаченко, В.В. Васильев, Г.А. Марченко, И.И. Редчекко (CCCF). - <i 182454/22-03; Заявлено 02.12 . 86; Опубл. [5.Г1.88, Вюл. Ш. - 1988. - С. 129.

27. A.c. 17406 77 СССР, М.Кл.5 Е 2ГД II/00. 20/00. Способ поддержания кровли/Н.Н. Клишин, Г.А. Марченко, A.A. Пятаченко, В.В. Васильев (СССР). - 4635051/03; Заявлено 12.01.89; Опубл. 15.06.92, Еюл. №22. - 1992. - С. ¡22 - 123.

28. A.c. 1754900 СССР, М.Кл.5 Е 2IC/16. Способ поддержания кровди/Н.К. Клишин' (СССР). - 47В3720/03; Заявлено 18.01.90; Опубл. 15.08.92, Бюл. »30. - 1992. - С. 136.

Поли, и печать.« rlS« Форма! «0X84'/.,,. Бумага /»«.//ю-•'/•>. Офсешая nciail..

Усл. мч. я. Ш . Усл. k|i. он. A. il" . Уч.-нзд. л. i, ?■? , Тираж НО экз. Заказ М !) 'id.Vi

&2ЛУ 3-IO(lOi), Данецк, y.i. Арима, 58. ЛМП11, JKIU50, Липецк, ул. Артема, 96