автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка и реализация способов физико-химического упрочнения горных пород на шахтах

РГ о од

Министерства топлива и энергетики Российской Федерации

Российская академия наук _Институт горного дела им.А.А.Ско'ошсклио_

IIa нраьах рукописи

Кандидат технических наук Валерий Иванович ЛЕВЧЕНКО

УДК 622.023.62:624.138.4

РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ СПОСОБОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА ШАХТАХ

Специальность 05.15.11 - "Физические процессы горного производства"

Диссертация о форме научного доклада на соисканнс ученой степени доктора технических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Институте горного дела имААСкочннского и Донецком научно-техническом центре.

Научный консультант - проф., докт. техн. наук.В.В.Васильев.

Официальные оппоненты:

проф., докт. техн. наук С.Е.Чирков, проф., докт. тех«, наук ГАКатков, проф., докт. техн. наук Ю.Ф.Васючков.

Ведущее предприятие - ПО "Макеевуголь"

Автореферат разослан " " ¿С _1995 г.

Защита состоится " & " ¿¿¿^¡.сД_1996 г. в ^ ч. на заседании

специализированного совета Д 135.05.03 Института горного дела имААСкочннского (140004, г Люберцы Московской обл.).

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета института.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу. 140004, гЛюберцы Московской обл, ИГД имААСкочннского.

Ученый секретарь специализированного совета докт. техн. наук, проф.

Н.Ф.Кусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Доклад по опубликованным в 1977- (995 гг. работам актора посвящен сообщению результатов теоретических и экспериментальных исследований, опытно-промышленных работ для решения проблемы упрочнения трещиноватых пород с целыо повышения устойчивости горных выработок при разработке угольных пластов в сложных горно-геологических условиях.

Актуальность проблемы. Увеличение объемов подземной добычи угля на современных шахтах приводит к отработке пластов на больших глубинах, в условиях сложных горно-геологичесик нарушений: ложной и неустойчивой обрушающейся непосредственной крошш, перемятых пачек угля, сложной гипсометрии и переменной мощности пластов. На мощных пластах происходит отжим угля, сопровождаемый вывалами и глубинными купол ообразованиями.

Обрушения пород в призабойное пространство обуславливает не только резкое падение добычи (на 20-60%), повышение зольности добываемого угля (на 3-6%) из-за засорения его высыпающейся из кровли породой, но и возрастанию расхода лесных материалов (на 8-10 м3 на 1000 т угля) для закладки образующихся в кровле куполов, резкому повышению опасности травматизма горнорабочих. Проведенный ВНИМИ анализ показал, что на шахтах угольной промышленности СНГ свыше 800 очистных забоек, в том числе свыше 400 - комплексно-механизированных, работают с неустойчивыми породами кровли, что приводит к ежегодным потерям добычи угля до 10 млн. т.

Применение физико-химического упрочнения горных пород позволяет, кроме повышения объемов добычи, снижения зольности угля и уменьшения травматизма горнорабочих, предупреждать аварийные ситуации в забое из-за обрушений пород крогаш и боков выработки; сохранят), геометрию (конфигурацию) крошш, создавая этим режимы работы крепи в стандартных условиях и сокращая

И|х>с№м мехашпщюванных комплексов; уменьшать трудоемкость работ на концевых операциях за счет ликвидации излишних аварийных обтаем о в работ; улучшать условия поддержания штреков, особенно при их повторном использовании; экономить крепежные материалы.

Таким образом, разработка и реализация способов физико-химического упрочнения горных пород на угольных шахтах является актуальной научной проблемой, имеющей народнохозяйственное значение.

Целыо диссертации является научно-техническое обоснование, промышленная апробация и внедрение физико-химических способов упрочнения неустойчивых, трещиноватых пород и пластов дли повышения несущей способности и устойчивости горных выработок.

Идея .работы заключается в установлении закономерностей адгезионного взаимодействия разработанных скрепляющих составов с различными видами нарушенных трещинами горных пород для обоснования рациональных н экономичных способов физико-химического упрочнения углепородных массивов.

Методы исследований. Для достижения намеченной цели использован комплексный научный метод, включающий анализ и обобщение опыта упрочнения слабых вмещающих пород и пластов, 1сотсхннчсскис обоснования и аналитические исследования напряженного состояния нарушенных трещинами пород непосредственных кровель до и после физико-химического упрочнения; лабораторные исследования, стендовые и шахтные испытания разработанных скрепляющих составов, технических средств их нагнетания н контроля качества упрочнения пород; промышленной апробации технологических схем физико-химического упрочнения углепородных массивов.

Па защиту выносятся:

•метод оценки напряженного состояния трещиноватых пород очистных забое», упрочненных скрепляющими составами, учитывающий анизотропию пород, воздействие механизированной крепи и основной кровли;

»оценка необходимой и достаточннй мощности упрочнения трещиноватых пород непосредственной кровли очистного забоя по слою их насыщения скрепляющими составами (1...1,2) м;

•математическая модель оптимизируемой системы в виде функции параметров технологии упрочнения пород очистных забоев;

• критерии выбора скрепляющих составов,определяемые с учетом свойств, характера разрушения горных пород, фазового состояния, ПДК и безопасности составов;

•методы и средства контроля качества упрочнения пород; »обработанные методами математической статистики и теории надежности результаты внедрения технологии упрочнения пород непосредственных кровель очистных забоев на шахтах Донбасса.

Обоснованность и достоверность выполненных исследований, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием апробированных методов теории упругости, химии высокомолекулярных соединений, ядерного магнитного резонанса, теории надежности, математической статистики; достаточной корреляцией данных (12%); положительными результатами лабораторных и шахтных испытаний магнезиальных, полиуретановых и карбамидных скрепляющих составов для упрочнения пород; эффективностью внедрения результатов работе!.

Научная новизна работы заключается в следующем: »разработан метод оценки напряженного состояния упрочненной скрепляющими составами непосредственной кроили очистного забоя с учетом анизотропной структуры ¡город, воздействия механизированной крепи и основной крошти;

©составлена математическая модель ранения задачи оптимизации параметров упрочнения трещиноватых пород кровли очистных выработок, основанная на учете основных экономических факторов, определяющих эффективность процесса физико-химического упрочнения;

«разработаны и обоснованы методы и средства контроля качества упрочнения трещиноватых массивов пород;

«разработана и апробирована основанная на теории надежности и математической статистики методика обработай результатов знедреник технологии упрочнения пород в очистных забоях шахт.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. Решен комплекс задач, связанных с применением, созданием и организацией промышленного производства средств

<

химического упрочнения неустойчивых горных пород и аппаратуры для контроля качества упрочнения.

Разработанные на основе физико-химических процессов технолоппескне схемы упрочнения пород полиуретаном и магнезиальными составами внедрялись более чем в 50 очистных забоях шахт ежегодно; на 6-7 шахтах ежегодно производится упрочнение пород подготовительных выработок; разработано и серийно выпускается нагнетательное оборудование (по 20-30 комплектов в год) и аппаратура для контроля качества упрочнения пород (по 10-20 комплектов в гол).

Результата выполненных исследований легли в основу раз-раГмтганнмх при участии и по результатам работ автора отраслевых методических руководств по упрочнению неустойчивых горных пород полиуретаном, магнезиальными составами, карбамидными смолами, химическим анкерованием.

Экономическая эффективность работы. Фактический экономический эффект от внедрения технологии физико-химического упрочнения неустойчивых горных пород очистных и подготовительных забоев на шахтах Донбасса, Кузбасса и Караганды за период 1984-1991 гг. превысила 19 млн.руб. (в ценах до 1990 г.). Прирост добычи достигал 2.5...3 мли.т угля в год.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований и их реализация в угольной промышленности докладывались на: всесоюзных научно-технических конференциях "Физико-химические воздействия на горный массив" (Днепропетровск, 1977), "Проблемы эффективного применения пластмасс в народном хозяйстве" (Москва, 1978), "Состояние и основные на-праплеиия совершенствования способов управления горным давлением" (Новосибирск, 1980), "Проблемы разработки мощных пологих и циклонных угольных пластов подземным способом" ( Караганда, 1984), всесоюзном ( Москва, ВДНХ, 1985), республиканском ( Донецк, 1985) и отраслевом (Караганда, 1986) научно-тс*|тичгскнх семинарах; заседаниях временных научно-технических ктмктнП быв. ГКИТ СССР по проблеме химического упроч-нгння пород (1985, 1986), заседаниях Ученого совета И ГЦ им.ЛАСкочннского (Люберцы, 1978, 1982, 1986); международном научно-техническом совещании по физико-химическому упрочнению пород (ЧССР, Острава, 1979); международном симпозиуме по механике горных пород и управлению массивом (КНР, Пекин, 1995), техшгческих совещаниях в быв. Совмине, Госплане ,

Минуглепроме, Минхимпроме, Гостехнадзоре СССР, протводет-венных объединениях, шахтах, специализированных управлениях. .

Публикации. Результаты проведенных исследований, опытно-промышленных работ и внедрения в производство, включающие основные научные положения , выводы и рекомендации автора, содержатся в 67 опубликованных работах, из которых -М помещены в списке опубликованных работ. Публикации включают книги, брошюры, научные статьи, тезисы докладов на научно-технических конференциях, авторские свидетельства. Наиболее полно содержание диссертации отражено в монографии 'Технология фишко-хим!гческого упрочнения горных пород" {11-

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Состояние вопроса

Среди основных проблем, определяющих уровень развития и эффективность подземной разработки угольных месторождений, значительное место занимает проблема поддержания в устойчивом состоянии вскрываемых и эксплуатируемых очистных и подготовительных горных выработок.

Научно-техническое решение этой комплексной проблемы включает обоснование, развитие и внедрение технологических процессов физико-химического упрочнения горных пород, нашедших за последние годы широкое признание и применение в развитых горнодобывающих странах - ФРГ, Японии, Великобритании, США, Чехии, Канаде, Испании и других.

В кашей стране большой теоретический и практический вклад в развитие средств и способов физико-химического упрочнения неустойчивых горных пород внесли Г.И.Маньковский, Б.В.Васильев, Ю.Ф.Васючков, Э.М.Москаленко, В.А.Ржаницын, В.В.Кара, В.В.Давыдов, А.М.Мусин, Ю.З.Заславский, В. К. Сальников, Н.Н.Томашев, А.А.Еф1шенко, Л.П.Томашевский, Е.В.Кузьмин, Е.С.Ватолин, С.ЕЛирков, А.Д.Алексеев и другие ученые.

Формирование научно-технического направления,, основанного на развитии процессов физико-химического упрочнения пород при разработке угольных месторождений в разнообразных горно-геологических условиях залегания пластов, стало возможным

благодаря комплексному участию в нем ИГД им.А,А.Скочинского, ДонУГИ, МГЦ, КузНИУИ, КНИУИ, ПечорНИИнроекта, ИГГМ УЛМ и других институтов. Развитию и внедрению технологических процессов упрочнения пород способствовало создание в Донбассе хозрасчетного управления "Шахтосиецполимеркрепь" и возглавляемого автором Донецкого научно-технического центра.

Выполненные автором теоретические исследования и полученные экспериментальным путем закономерности изменения свойств и поведения различных полимерных композиций в зависимости от технических требований и условий их эксплуатации на шахтах легли в основу комплексного обоснования нового научного направления.

2. Геомехашсческне предпосылки физико-химического упрочнения пород

Статистика показывает, что на шахтах РФ и зарубежных стран простои лав, связанные с ликвидацией последствий обрушений пород п нризабойное пространство, составляют в целом около 10% общего рабочего времени, а из-за травматизма горнорабочих по этой же причине ежегодно теряется более 50 млн.чел.-смен.

Напряженное состояние пород с увеличением глубины их залегания резко возрастает в зоне опорном давления - под краевой частью пласта, на расстоянии 2...6 м от линии забоя напряжения достигают максимума: сгтах = (2...3)уН. На сопряжениях лавы с подготовительной выработкой, вследствие дополнительно накладывающейся концентрации напряжений на контуре, максимальные значения напряжений в отдельных случаях возрастает » 3...4 раза. Контактные связи между слоями пород непосредственной кровли ослабляются, что способствует развитию трещино-образовлнии.

Непосредственно в очистной выработке вертикальная составляющая напряжений сжатия (Ту при схеме плоской деформации меняет знак с минуса на плюс, усиливаясь к тому же за счет "тгуассоновых" напряжений //сг, и /лт., что создает предпосылки отрыва нижнего, обнаженного слоя пород кровли над очистной выработкой.

Предельное напряженное состояние, в результате которого начинается и развивается трешинообразованне, потеря несущей

способности с разделением пород на отдельные блоки или куски принимается в качестве критерия разрушения горных пород. В пилу того, что горные породи в общем случае нахо.читсн в условиях обьемиого напряженного состояния, их предельная прочность определяется трехкомпонентной совокупностью главных напряжений, при которой дальнейшее повышение действующих пафузок сопровождается (в зависимости от типа пород) хрупким разрушением или пластической деформацией.

Критерии разрушения и теории прочности твердых тел обоснованы в достаточном количестве фундаментальных работ: М.М.Филоненко-Бородичп, А.И.Берона, Г.П. Л иеяренко, С.Е.Чпркова, Л..Д.Алексееад, Г.М.Бартенева, Г.Т.Кирпичанского и

др..

На основании экспериментальных исследований нами принят обобщенный критерий разрушения горных пород, предложенный проф. А.Д.Алекееевым (ДонФТИ), согласно которому потеря прочности образца при трехосном неравнокомпонентном напряженном состоянии наступает по достижении предела прочности результирующей всех компонентов растягивающих нлттря-жений. Согласно этому критерию разрушение образца с образованием площадки среза зависит от соотношения между нормальными <тк и касательными тк напряжениями:

*к=/(<Ук)-

Изучение фактического влияния сил неравнокомпонеит-ного сжатия горных пород выполнено автором па специальной лабораторной установке, позволяющей создавать нагрузки от 0 до 500 МПа независимо по трем осям X, У, 2.

Полученные на такой установке диаграммы "напряжение-деформация" свидетельствуют о том, что, например, при незначительном отклонении от обобщенного сжатия разрушение аргиллита сопровождается значительным .спадом напряжений, т.е. потерей Прочности.

Высота вьпзалообразований ложных кровель, как показали исследования, существенно зависит также от длины нарушения, амплитуды и угла встречи с лавой, параметров ложной кровли, неоднократности передвижки ("топтания") секций механизированной крепи.

Специально проведенные исследования показали, что высота выпалов в зонах геологических нарушений в основном зависит от мощности слабых, трещшговатых пород и угла встречи нарушения с лавой. Среднюю длину / участка, рекомендуется учитывать уравнением множественной регрессии:

I = 8,3 + 0,3к + 0,00034у/2 - 0,00032ф*,

где Л - амплитуда нарушения, м; у/ - угол падения сместителя, град; (р - угол встречи нарушения с лавой, град.

Уравнение отвечает множественному корреляционному отношению 0,156 и критерию Фишера [3, 4].

Статистическая обработка результатов упрочнения трещиноватых пород очистных забоев шахт Донбасса на пластах с углом падения до 35" и отдельно в комплексно-механизированных забоях (КМЗ) позволила установить высокий процент лав, отрабатываемых с нарушениями кровли. Так, только по трем производственным объединениям ("Донецкуголь", "Макеевуголь", "Стахановуголь") в условиях нарушенных кровель работало 41,5% КМЗ, которыми пройдено 98 геологических нарушений общей длиной 26,6 км и 163 участка ложных кровель площадью 1,24 млн.м2.

3. Теоретические основы технологии физико-химического упрочнения неустойчивых горных пород

Нарушенность горных пород и зависимые от этого фильтрационные свойства определяют важную для технологии физико-химического упрочнения характеристику - проникающую способность нагнетаемых в массив скрепляющих химических составов. По фильтрационным свойствам нарушенные породы крайне неоднородны и анизотропны, причем проницаемость пород в направлении пласта в 1,5...2 раза меньше, чем по другим направлениям.

Оценка зоны проницаемости скрепляющих составов в трещиноватый горный массив. Трещиноватый массив рассматривается как фильтрующая среда при распространении в нем скрепляющих составов. По наиболее крупным трещинам состав движется от шпура с относительно большой скоростью и, заполняя

их, более медленно проникает в мелкие. Степень проникновения состава в мелкие трещины и поры определяется его давлением в крупных трещинах, вязкостью и временем взаимодействия с массивом. В наиболее мелких трещинах (раскрытием 50...200 мкм) проникновение состава в массив происходит за счет действия капиллярных сил.

Приведенные автором экспериментальные исследования и анализ формул, предложенных различными авторами (Т.С.Каранфиловым, Н.Н.Вахрамеевым, В.В.Луговским, С.В.Мамонтовым, В.В.Давьщовым, В.А.Хямяляйненом и др.) позволил установ1ггь, что наиболее близкие к практически достигаемым значениям радиуса распространения состава дает использование формулы Э.Маага:

\ЗШг0 о0

о

где К - коэффициент фильтрации среды, м/с; I - время нагнетания скрепляющего состава, с; Н - напор нагнетания, м; Гд - радиус шгьектора, м; <р - активная пористость массива; и0,и - кинематическая вязкость, соответственно воды и состава, Спз!

Приближенные к практически достигаемым значения радиуса дает также формула А.Н.Адамовича, которая в принципе учитывает те же факторы.

Обоснование несущей способности упрочненной кровли очистного забоя. Теоретический подход к обоснованию необходимых и достаточных условий упрочнения показан на примере анализа напряженного состояния кровли очистного забоя.

Для составления модели и расчетной схемы принята схема вывалообразований пород кроыш очистного забоя (рис.1, 2). Раз-рботанный совместно с С.В.Томиным метод расчета основывается на определении зоны предельных состояний ослабленной трещинами непосредственной кровли и проверки ее на прочность. Непосредственная кровля рассматривается в виде разделенных трещинами кусков-блоков, а напряженное состояние в породах оценивается .. методами теории упругости до наступления предельного состояния.

Задача решается дня среднего, наиболее опасного сечения очистного забоя, находящегося в плоскодсформироваином состоянии.

Балка непосредственной кровли нагружена давлением по-|юд вышележащего массива Р(х), собственным весом непосредственной кровли Рг и реакцией крепи ц(х). Для решения проведена линейная аппроксимация давления:

Р(х) = -Р + к1(х-Ь),

где к] = tg(p - угловой коэффициент, Р - минимальная нригрузка.

Величины Рпкг зависят от глубины разработки, модуля деформации вышележащего массива, мощности и протяженности непосредственной кровли, коэффициента разрыхления пород, размера зоны пластичности в угольном пласте, среднего по перекрытию сопротивления механизированной крепи.

Распределения напряжений в кровле представляются в виде линейной суперпозиции напряжений в невесомой балке, тиружен-ной внешними силами, и тяжелой консоли, свободной о г внешних нагрузок.

Решения представляются в виде полиномов с коэффициентами, определяемыми в результате удовлетворения граничных условий. Напряжение от давления вышележащего массива удобно представить как сумму воздействия постоянной нагрузки Р и линейно распределеннной к] (х - Ь).

Соответствующие компоненты напряжений вычисляются в результате анализа бигармонических уравнений теории упругости при решении двумерной задачи в условиях плоского напряженного состояния.

Например, напряжения от равномерной нагрузки пород кровли вычисляются в виде:

Аналогичные выражения выведены для линейно распределенной нагрузки (сгзх, г^) от собственного веса консоли непосредственной кровли \азх, озу, Т1ху) и реакции крепи

Полные напряжения вычисляются соответствующими суммами:

{а4х> сг4у, иху )■

¿=/ Ы1 Ы1 *

Исходя из этих выражений, вычисляются главные напряже-шш. Предельному состоянию трещиноватого массива, как исуп-рочнениого, так и упрочненного, лучше всего соответствует критерий С.Е.Чиркова.

Оптимизация параметров упрочнения пород кровли в очистных забоях. Решение задачи оптимизации основывается на создании математической модели системы в виде функции исходных параметров, поиска экстремумов этих функций и выбора наиболее целесообразных.

Варьируемыми параметрами при упрочнении кровли очистного забоя являются длина шпура /ш, радиус, фильтрации упрочняющего состава вокруг шпура Я, угол наклона шпура к плоскости пласта а. Минимальные значения параметров обеспечивают необходимую толщ югу упрочненного слоя Ну„р и вычисляются на ЭВМ с помощью специальных программ.

Способ поиска минимума основан на переборе всевозможных значений функции для всего диапазона варьируемых параметров. Увеличивая число шагов по каждой из переменных, можно добиться необходимой точности. Быстродействие ЕС ЭВМ обеспечивает приемлемое время счета. Метод заключается в вычислении на каждом шаге значения целевой функции и сравнении его с вычисленным на предыдущем до полного перебора всех значений. При переходе к следующему шагу запоминается минимальное значение и сооветствующие ему параметры, в то время как прочие стираются. Целевая функция вычисляется по специальной подпрограмме.

Блок-схема программы показана на рис. 3.

Нагнетаемые в трещиноватый массив скрепляющие составы насыщают его с различной плотностью. Зона влияния шпура представляет собой цилиндр радиусом Я, с образующей 1С и соответствующей полусферой. Поскольку коэффициент заполнения трещин и пор массива снижается с увеличением расстояния от шнура необходимо перекрывать зоны влияния шпуров.

( начало")

С K0Ha* )

Рис.3. Блок-схема программы оптимизации параметров технологии упрочнения пород

Минимальный и максимальный углы наклона шпура доя нагнетания скрепляющего состава назначаются на основавнни практического опыта: а„/„ = 10'. и атах = 20'.

Минимальный радиус фильтрации Rm,n определяется минимальной высотой hy упрочняемого слоя кровли:

Дий ^ О,Shy,

а максимальная длина инъекционного шпура вычисляется по формуле:

5Шат1„

Вычисленная в ходе расчетов длина шпура не должна превосходить расстояние до зоны максимума опорного давления во избежание вторичного разрушения упрочненных пород. Максимальный радиус фильтрации:

■"то*

где Я^ - максимальный радиус, вычисленный на ЭВМ, а А^,^ -

максимальная высота зоны нарушения пород.

Кроме вычисления значений /?тах, 1тах на исходном шаге варьирования параметрами определяются также: расстояние между шпурами;

шаг и время бурения шпуров в направлении подвигания очистного забоя;

объем скрепляющего состава в одом шпуре.

Важным параметром является время нагнетания упрочняющего состава в шпур.

Время нагнетания зависит от количества шпуров пш , производительности установки <2Р диаметра шпуров йщ и магистральных шлангов (рукавов) ¿р , длины инъекционных шпуров 1Ш и рукавов !р, времени насыщения пород составом (иас :

¡наг~'нас + "^о^ (¡ш+ р^ р ) •

Входящее в формулу время насыщения хмж пород зависит от времени преобразования Тг и количества шпуров пш :

<.0,8{Тг-125пщ).

Определяется также количество шнуров пш , пробуренных на участке упрочнения очистного забоя и по длине выемочного столба Л^.

Необходимое число шнуров для полного упрочнения нарушенной трещинами кроили очистного забоя :

= ЛГ.ДГ' .

Полные расходы на технологию упрочнения С определяются в виде суммы затрат:

с=са + сэ + см + г;

где С а , С3 и См - расходы соответственно на амортизацию, электроэнергию, материалы; Z - зарплата горнорабочих.

Целью оптимизации при известных характеристиках нагнетательного оборудования и площади неустойчивой кровли являются определение радиусов фильтрации и длин шпуров, обеспечивающих минимум суммарных расходов на нагнетание с целью обеспечения прочности и устойчивости упрочненного слоя.

Из трех основных параметров упрочнения вычисляются остальные: время нагнетания, геометрия сетки инъекционных шпуров и др. Оптимизация осуществляется полным перебором возможных вариантов упрочнения с вычислением на каждом шаге стоимости работ, выбора наименьшей и соответствующих ей параметров.

Расчеты каждой из статей и оптимизации параметров упрочнения апробированы на примере упрочнения кровли п 10-й западной лаве шахты им.А.Ф.Засядько ПО "Донецкуголь".

4. Критерии выбора и методы испытаний скрепляющих составов

Прочность адгезии скрепляющего состава к породе зависит от степени совместимости соответствующих химических структур скрепляющего состава (смолы, отвердители) с химико-минералогической основой и состоянием (температурой, влажностью, рН-срсдой) упрочняемых пород.

Исследования позволили установить влияние каждого из указанных факторов на выбор скрепляющих составов, а также обосно-

вать эксплуатационные требования к составам: по физическим качествам и химической активности; безопасности применения в подземных горных выработках; условиям переработки, хранения и транспортирования.

В каждом конкретном случае влияние внешних факторов различно, но их совместный учет сводится к выполнению основного требования - обеспечения адгезионной прочности скрепляющего состава к породе а„. Значение сг„ установлено на основании анализа прочности вмещающих пород очистных забоев многих шахт Донбасса и Кузбасса, который показал, что их прочность на растяжение колеблется в интервалах 1,8-7,8 МПа, что дало основание ограничить прочность адгезии скрепляющего состава к породе по растягивающим напряжениям, близким к минимальным:

(Та * 2 МПа. р

Прочность составов, обладающих свойством эластичности, например пенополиуретановых, ограничевается меньшими значениями:

СУ. :> 1,5 МПа. ар

Соответственно по прочности адгезии к породам на сжатие, а также прочности собственной когезии скрепляющего состава предельное значение нормальных напряжений ограничивается значениями:

^а = ^ког * 10 МПа-

Выбору полимерных композиций для упрочнения трещино-вачы.х и сыпучих горных пород предшествуют испытания по определению физико-механических свойств и кинетических параметров отверждения. При изучении условий и степени пригодности скрепляющих составов устанавливается последовательность испытаний, однозначность формы и размеров образцов. Разработанная методика их испытаний учитывает основные, прямые и косвенные факторы, влияющие на адгезионную прочность и техно-

логичность скрепляющих составов, в том числе их вязкость, скорость отверждения, изме-нение объема в процессе полимеризации.

Когезионная прочность скрепляющего состава определяется методом сжатия образца,изготовленного из отвержденного адге-зива в виде куба с размерами ребер 3 см.

Адгезионная прочность является наиболее важным звеном испытания скрепляющего состава . Форма и размеры образцов определяются целями таких испытаний (растяжение, изгиб, сдвиг, сжатие), а также техническими средствами эксперимент, требуемой точностью ожидаемых результатов и сроками их получения. Такие испытания проводятся при экстренном выборе скрепляющих составов.

Испытания на неравнокомпонентное сжатие относятся к разряду фундаментальных исследований и проводятся для обеспечения высокой точности результатов. В этом случае испьггываются образцы кубической формы с размерами от 5 до 6,5 см. Испытания осуществляются на специальной установке УНТС, позволяющей испытывать образцы при различных схемах напряженного состояния;

обобщенном растяжении сг, = <Т2; <У3 = 0;

обобщенном сжатии сг2 = ет3 ;

ГГ

сдвиге о2 ~-

Для проведения всесторонних прогнозных исследований изготавливались составные образцы пород, склеиваемые различными составами под углами наклона плоскостей раздела от 0 до 90°.

Для примера на рис.4 показана диаграмма "напряжение а -относительная деформация б".

Изучение фазового состояния магнезиальных, кярбамидных п пенополиуретановых составов осуществлялось методом ядерного магнитного резонанса.

Рис. 4. Диаграммы "напряжения - деформации" дтя образцов пород, скрепленных магнезиальным (1) и полиурегаиопым (2) составами при ориентации трешин под углом 45"

5. Исследования и разработка композиций скрепляющих составов

При непосредственном участии автора разработаны, испытаны и доведены до широкого применения на шахтах три принципиально новые композиции скрепляющих составов.

Карбамидные скрепляющие составы холодного отверждения приготавливаются на основе карбамидоформальдегидных смол линейного строения и отвердителя в виде 5-10%-ных растворов ортофосфорной кислоты Н3РО4, хлористого железа ГеС1з, хлористого аммония или щавелевой кислоты ННООС-СООН. Недостатками составов являются усадка в процессе отверждения, а также избирательность по отношению к породам различного химико-минералогического состава.

В процессе проведения опытно-промышленных работ на шахтах Донбасса и Кузбасса автором разработаны и рекомендованы к применению модифицированные карбамидные составы с улучшенными свойствами.

Пенопол1гуретановые составы обладают более высокой по сравнению с карбамидньши надежностью и могут применяться в породах любого (кроме обводненного и низкотемпературного) состояния и химико-минералогического состава пород. При участии ангора разработаны два вида отечественных пол!гуретановых составов : ППУ-328 - нормального отверждения и ППУ-329 -ускоренного отверждения. Оба состава по своим физико-механическим показателям не уступают лучшим зарубежным аналогам. Организован серийный выпуск этих видов составов. Магнезиальные вяжущие составы основываются на минеральных компонентах - окиси магния и его хлориде (бишофите), что снимает вопрос о токсичности скрепляющего состава. Автором разработано несколько вариантов магнезиальных скрепляющих составов,

функционально предназначенных для различных схем и способов упрочпення пород.

Исследования но схеме объемного неравнокомпонентного сжатия позволили установить, что прочность магнезиальных составов выше прочности аргиллита на разрыв. В качестве основной области применения магнезиальных составов рекомендованы слабые, кругшотрсщиноватыс (с раскрытием трещин свыше 1 мм) породы,преимущественно подготовительных выработок.

6. Средства армирующего укрепления горных пород

Технология армированного укрепления нарушенных горных пород основывается на применении ампул со скрепляющими составами, армирующих стержней (анкеров), средств изготовления этих изделий и средств механизации процесса возведения анкерной крепи.

Средством закрепления армирующих стержней или анкеров в горном массиве являются композиции скрепляющих составов, в исходном состоянии помещаемые в изолированные друг от друга отсеки ампулы. В качестве скрепляющих составов применяются различные композиции термореактивных смол холодного отверждения, минеральных соединений и вяжущих. Скрепляющие композиции обычно приготавливаются в виде двух-компонетюго состава, чаще всего полимерного. При участии автора разработаны и применяются составы на основе пенополиуретана, фенолоформальдегидных смол, минеральных вяжущих. Для закрепления анкеров в породах любой влажности или даже с водопротоками при любой температуре (включая отрицательные) разработаны композиции на основе фурановых соединений.

Для закрепления армирующих стержней ао влажных породах автором разработан также фенолформальдегндный состав, а который, кроме основных компонентов введена добавка - смачиватель ДБ, представляющая собой поверхностно-активное вещество (ПАВ) в количестве 15... 18 масс.частей на 50...60 масс.частей смолы.

В качестве армирующих стержней для укрепления горных пород в большинстве случаев применяются сталыгыс штанги (анкера) из арматурной стали периодического профиля или пруткового проката. В ряде случаев такие стержни не удовлетворяют требо-

ваниям анкерного крепления. По идее и под руководством автора разработаны специальные упругие анкера, изготовляемые из отрезков троса и закрепляемые в шпурах твердеющими химическими составами, нагнетание которых под давлением одновременно создаетусловия для натяжения троса. Такие анкера с положительными результатами апробированы на шахтах ПО "Ленинградсланец".

7. Элементы технологического оборудования для нагнетания скрепляющих составов и аппаратура контроля качества упрочнения пород

Подача жидких компонентов скрепляющего состава в трещиноватый горный массив осуществляется при помощи специального технологического оборудования, включающего насосные (нагнетательные) установки, магистральные высоконапорные шланги, соединительную и запорно-смесительную арматуру. Смешивание компонентов скрепляющей композиции может осуществляться однокомпонентным способом, при котором соединение и перемешивание компонентов состава осуществляется до начала нагнетания в шпур, и двухкомпонентным, при котором каждый из компонентов подается в упрочняемый массив отдельно, а смеши-ваниеь происходит в устье шпура.

Автором разработан и внедрен в производство комплект оборудования для одкокомпонсншого нагнетания магнезиальных скрепляющих составов НБЗ 120/40. При участии автора разработана, испытана и доведена до серийного производства нагнетательная установка НАГУС-212. Создано несколько вариантов герметизаторов одноразового и многоразового пользования.

Кроме установок промышленного масштаба, автором разработаны малогабаритные нагнетательные установки невысокой производительности (до 8 л/мин) и давления (до 8 МПа) дли оперативного проведения локальных работ по упрочнению горных пород.

Приборы для контроля качества обработки упрочняемого массива скрепляющими составами. Для контроля качества заполнения трещиноватого массива скрепляющими составами при участии автора разработаны сейсмо- акустическая аппаратура АИВ-2 "Контур" и радиоволновой прибор РВШ-4.

Аппаратура АИВ-2 "Когггур" работает на принципе проэвучи-вания углепородного массива с использованием трех скважин, пробуриваемьк в одной плоскости на заданном расстоянии. В первой скважине возбуждается сигнал, во второй устанавливается запускающий датчик, в третьей - датчик для остановки счета прибора. Прибор позволяет прозвучивать углепородный массив с использованием двух скважин. Для оценки качества упрочнения используется формула определения предела прочности массива на сжатие по скорости распространения продольных волн:

где Я", Д", С°г, С°г • пределы прочности при сжатии и скорость

продольной волны соответственно в нарушенном массиве, трещины которого заполнены скрепляющим составом и в ненарушенном трещинами массиве.

Радиоволновый метод позволяет контролировать трещино-ватость углепородного массива в радиусе 0,5 м с помощью датчика (зовда), установленного в шпуре. Датчик (зонд) встаадяется в шпур, а результаты регистрируются прибором РВШ-4. Для измерения трещиноватости углепородного массива прибором РВШ-4 разработана "Инструкция по эксплуатации прибора ".

8. Технологические схемы упрочнения

неустойчивых пород и пластов скрепляющими составами

Изложенные в предыдущих разделах исследования и разработки легли в основу технологических схем, разработанных, апробированных и внедренных под руководством и при участии автора на многих шахтах Донбасса, отдельных шахтах Средней Азии, Кузбасса и Караганды. Ниже приводим основные характеристики некоторых из технологических схем.

Упрочнение пород кровель очистных забоев. Общая схема бурения шпуров и расстановки нагнетательного оборудования для

упрочнения кровель очистных забоев приведена на рис.5. Шпуры для нагнетания составов бурят под углом 10 - 15", реже 20* по всей длине обрушений. Основываясь на приведенных в разд. 3 теоретических исследованиях, необходимо и достаточно упрочнить слой кроили мощностью 1...1,5 м. При необходимости упрочнения более обширных зон обрушения шпуры бурят различной длины, со смещениями по высоте, таким образом, чтобы верхний ряд более длинных шпуров (4...5 м) достигал нсобрушившихся слоев. В отдельных случаях нагнетание скрепляющих составов целесообразно осуществить через пробуриваемые из штрека скважины длиной до 20 м.

, Шг

Рис.5. Технологическая схема упрочнения пород кровли очистных забоев нагнетанием скрепляющих составов: 1 - шпуры; 2 - напорная магистраль; Л - загрузочная система; 4 - нагнетательная установка; 5 - емкости с компонентами состава

Упрочнение упгепородкых массивов в монтажных камерах и переходах лавами диагональных выработок. Проведение выработок для монтажа механизированных комплексов в лавах или при переходе лавами вспомогательных выработок приводит к возникновению высоких напряжений, способствующих трещинообразованию

и обрушению пород. Для удержания зон повышенной концентрации напряжений в устойчивом состоянии рекомендован способ упрочнения массива нагнетанием скрепляющих составов в сочетании со стержневым полимерным армированием. Как показывают расчеты и опыт применения таких схем, длины шпуров верхнего ряда следует назначать в пределах - 2,5...3,2 м, нижнего ряда -1,8...2,5 м; расстояние между шпурами - 0,9...1,2 м; углы подъема шпуров верхнего ряда - 25...35", нижнего ряда - 5...10*.

Создание искусственной кровли. Для предупреждения просыпаний и обрушений межслоевой пачки угля (40...70 см) при слоевой разработке мощных угольных пластов в результате про веде пых исследований автором рекомендованы схемы и карбамидный скрепляющий состав для" создания искусственной кровли. Состав закачивается за крепь, заполняя пространственную полосу пород мощностью 50...60 см и связывая отдельные породные куски в достаточно жесткую корку. При пересечении геологических нарушений (пережим пласта и пр.) создание упрочненной кровли по разработанной автором технологии осуществляется путем предварительного пробурившим шпуров в будущий прослоек из верхней лавы (длина шпуров до 2 м). Для повышения жесткости прослойка в него, кроме нагнетания скрепляющего состава, вводятся деревянные армирующие стержни.

Упрочнение пород при камерно-столбовой системе разработки. При разработке сланцевых месторождений камерно-столбовой системой образуются откосы бортов и обнажаются значительные пространства кровли, часто обрушающиеся в выработку. Под руководством автора разработана и апробирована технология упрочнения слоистых пород сланцевых шахт. Для укрепления кровли рекомендовано бурить шпуры под углом 15-20* к напластованию и осуществлять нагнетание магнезиальных составов. Контроль заполнения трещин составом осуществляется в процессе отработки лав с последующей подрывкой кровли на высоту 0,68 м и 1,45 м.

Эффективность применения технологии упрочнения пород в камерах-лавах нагнетанием магнезиального состава обоснована автором теоретически. Устойчивость кровли в таких выработках спязана как с действующими напряжениями, гак и с деформациями, ослабляющими нависающий массив. Напряжения ау и деформации иу по направлению оси у непосредственной кровли вычисляли по формулам:

cry = ¿4,coyax[(Q + ayC^Siay - (l + ayC^Chay + y[h -

n= [

l+yi

uu =-

Ei „=

£4,a»oDcj[l+oyq +(l-2y)]^icy-[2q +(«-2)>>C!]cœtfyJ,

гдеЛ„ = — j ç(x J cos axdx -коэффициент разложения; С/, C2 - пост-

2

1 + T)[l- sin4 à+Jjk-qços'' в \ > 1-й,

янные коэффициенты; £/ -£„

■ flç

шггегральный модуль деформации массива; Т) — а/г - Е„/Ес параметр деформирования массива; Е„, Д.- модули упругости соответственно породы и скрепляющего состава; г - расстояние между трещинами; в - угол наклона трещин к горизонту; fjc - коэффициент Пуассона состава; а = т/30 (п=1,2...) - аргумент функции; I, а - соответственно длина выработки и межкамерного целика; h -мощность непосредственной кровли; у - плотность вмещающих пород; q = yhil/a - распределенная нагрузка, действующая на кровлю.

Результаты расчетов на ЭВМ показали, что максимальные напряжения возникают в целиковой части выработки, так как опорное давление в этом месте пласта максимальное.

Как следует из расчета деформаций кровли по всей протяженности лавы, максимальное значение достигается в середине лавы (vy ~ 50 мм). При физико-химическом упрочнении породного массива деформация кровли снизилась в 1,5 раза.

Предупреждение отжима мощных пластов. Разработка мощных пластов (более 3 м) часто сопровождается отжимом части угольного массива, который • отрывается от основного пласта под углом, близким к 30* к плоскости забоя. Вслед за отжатой частью угольного пласта, как правило, обрушается часть непосредственной кровли, образуется вывалообразование.

В результате проведенных исследований автором рекомендована рациональная глубина бурения скважин в пласт для предупреждения его отжима: I = (1,6...1,9)т от очистного забоя, m -мощность пласта, м. Шпуры для нагнетания скрепляющих составов

рекомендовано бурIгл. в шахматном порядке. Давление нагнетания составов в угольный массив - 4...6 МПа.

Кроме нагнетания рекомендовано армирование (анкеровашгс) пласта деревянными или стскяопласткковымн стержнями. Установлены рациональная длина армирующих стержней и их расположение: при отжиме до 1,5 м устанавливают один ряд армирующих стержней, при большем - два ряда.

Упрочнение нависающих массивов при разработке крггг.гх пластов. При разработке крутых пластов проблемным вопросом является высыпание угля из нависающего массива. Локальные мероприятия - передовое крепление, нагнетание песчано-цемешных и гипсовых вяжущих и пр. - оказываются малоэффективными и нетехпологичными. Автором разработаны две технологических схемы физико-химического упрочнения нависающего угольного массива, основанные на нагнетании в пласт в режиме фильтрации магнезиального состава.

Первая схема разработана для упрочнения нависающей части пласта мощностью 0,8-1,3 м в зоне сопряжения лавы с уступом - магазином. Давление нагнетания выбирается по условию

Рн<0,7(ан + ар) ,

где ан - расчетное напряжение угольного пласта в зоне нагнетания, МПа; Ор - прочность пласта на разрыв, МПа.

Глубина и расположение шпуров рассчитываются исходя из размеров зоны повышенной трещиноватости и радиуса распространения состава.

Вторая схема предусматривает упрочнение нависающей части массива в потолкоуступных лавах, в которых вывалы вызваны большим опережением уступов относительно друг друга и сложностью ведения работ на выбросоопасных пластах в зонах повышенного горного давления.

Удержание нависающей части массива осуществляется нагнетанием скрепляющего состава с одновременным введением в шпуры деревянных армирующих стержней длиной 4-4,5 м. По всей мощности пласта в кутке уступа и в средней его части бурятся шпуры под углом 30-40* к горизонту так, что опережение составляет 2-2,5 м.

К примеру, на пласте "Каменка" шахты "Юный Коммунар" объединешм'"Орджони1Сидзеуголь" после завершения обработки нависающей части массива физико-химическим способом выемка угля производилась в течениеТ 5 суг без обрушений.

Физико-химическая обработка крутых пластов для понижения их выбросоопасностн при проведении подготовительных выработок. Требования безопасного проведения подготовительных выработок по выбросоопасньгм пластам, где происходит 25-30% всех несчастных случаев, а также предотвращения внезапных выбросов угля и газа после сотрясательного взрывания, существенно удовлетворяются в результате применения технологии физико-химического воздействия на пласт скрепляющих составов. Снижение выбросоопасностн угольньа пластов основано на их обработке скрепляющими составами, технология разработана применительно к нарушениям типа "продольный сброс" (с амплитудой смещения 0,6...0,8 м) через шпуры с выходом как в породу, так и в пласт.

Под руководством автора технология апробирована и внедрена на шахте "Юный Коммунар"при вскрытии выбросоопасного крутого пласта Юльевского западного.

Упрочнение пород в основных и подготовительных выработках. Под научно-методическим руководством и при непосредственном участии автора проведены опытно-промышленные работы по физикохимическому упрочнению неустойчивых пород в основных выработках на донецкой шахте им.А.Ф.Засядько.

На всем протяжении выработка была деформирована горным давлением, росла конвергенция. В результате физико-химического упрочнения было восстановлено деформационное состояние выработки, отвечающее требованиям длительной эксплуатации.

Аналогичная технология разработана и внедрена автором для упрочнения пород на сопряжениях клетьевого ствола с грузовой и порожняковой ветвями гор. 400 м на шахте им.60-летия Советской Украины, где проявлялись значительные деформации и поломки бетонной крепи с уменьшением сечения выработок на 25-30 м по обе стороны ствола. На основании расчетов по рекомендациям автора нагнетанием магнезиальных скрепляющих составов укреплено около 2000 м3 горного массива, что позволило обеспечить удовлетворительное состояние капитальных выработок.

На шахте им. Героев Космоса ПО "Павлоградуголь" упроч-нениенеустойчивых пород магнезиальные скрепляющим составом

позволило стабилизировать состояние западного магистрального откаточного штрека гор. 350 м.

8.Статистический анализ результатов внедрения технологии фнзико-химичесхого упрочнения пород очистных забоев

Упрочнение неустойчивых кровель очистных забоев осуществляется эпизодически, по мерс необходимости, или систематически - в течение продолжительного времени работы лавы. Динамика состояния неустойчивой кровли до и после упрочнения пород характеризуется коэффициентом нарушенное™ кровли вывалами:

Л, = --100%,

¿0

где ^ - площади вывала и участка, м2.

Статистическая обработка результатов упрочнения пород полиуретаном в 53 очистных забоях шахт Донбасса, выполненная методами теории вероятностей и теории надежности, позволила установить экспоненциальный закон распределения вероятности обрушения пород кровель (рис. 6):

/(0) = 0, ¡86 схр[-0,186(21,

подтверждающий внезапность обрушений и, как следствие, возможные тсхнолопгческие перебои процесса добычи угля.

Установлены зависимости общего числа N(0 очистных забоев от времени { их работы по упрочнению

N(0 = -2,3861 + 16,96,

а также линейная модель зависимости прироста добычи от

количества N комплексно-механизированных забоев, работающих с упрочнением кровли

= -2,6Ш + 26,71.

Статистически проанализирована также эффективность применения технологии упрочнения пород с точки зрения улучшения качества добываемого угля. Число КМЗ, в которых зольность добытого угля из-за уменьшен™ его засоренности породой снижена в пределах до 6%, рассмотренное как случайная величина, имеет нормативный закон распределения:

/(к) = 0,258 ехр

(к - 2.168)2 4,78

Построенные по статистическим данным гистограммы и плотности распределения процентов снижения зольности в КМЗ с упрочненными кровлями характеризуют постепенное и устойчивое улучшение качества угля. Детерминированная модель снижения зольности имеет параболический вид (рис. 7):

Щк) — -0,376к2 + 1,583к ■+ 5,1.

Проведенный анализ в целом позволил установить вероятностные характеристики ожидаемого прироста добычи и улучшения качества угля в лавах с неустойчивыми кровлями после упрочнения последнего.

9.Экономическая н социальная эффективность работы

Автором выполнен расчет гарантированного (планового) экономического эффекта при упрочнении пород очистных забоев полиуретановыми скрепляющими составами.

Расчет основан на "Методике определения экономической эффективности использования в угольной промышленности новой техники, изобретений и рационализаторских предложений" и учитывает единые нормы выработки, тарифные ставки горнорабочих, оптовые цены на лесоматериалы, компоненты полиуретана и нашетальные установки, исходные данные (характеристику) средней лавы по Донецкому, Кузнецкому и Печорскому угольным бассейнам.

ПО) И6 0,5 т V 12 т

в

20 & 2ВВГТ}

Рис. 6. Гистограммы и плотность уХО) распределения вероятности вывалов после упрочнения кровли очистного забоя

Рис. 7. Гистограммы и плотность Д0) распределения вероятностей сни-жения зольности в пределах достигнутой (к = 1 + 6%) при упрочнении пород в кровлях КМЗ

В качестве базового варианта при определении экономической эффективности принят способ поддержания кровли в лавах с помощью вьгклалки деревянных клетей над крепью в местах вывалов пород.

В разработанной методике приведены расчеты годовой добычи угля, затрат на материалы, основных видов работ, вспомогательных процессов, амортизации, монтажно-демоцтажных работ, электроэнергии; оценена изменяющаяся часть в себестоимости I т угля. Выполнен расчет косвенных последствий упрочнения пород за счет роста (или сохранения) нагрузки на очистной забой и снижения зольности добываемого угля.

В результате расчета установлено, что себестоимость 1 т угля, добытого с применением технологии упрочнения неустойчивых пород в лавах, снижается в среднем на 4...5%. Расчетный экономический эффект на одну лаву (в ценах 1990 г.) составил 230,1 тыс. руб. в год. Ежедневный прирост добычи угля -2,5...3 млн.т.

Социальный эффект заключается в снижении травматизма горнорабочих на очистных работах, как показала практика работы шахтоуправления "Октябрьское" ПО "Донецкуголь", в 1,5„.2 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе в форме научного доклада на основе комплексных теоретических и экспериментальных исследовании решена важная народнохозяйственная проблема повышения несущей способности обнажаемых' в призабойиом пространстве трсщшюватых и других неустойчивых пород, что обеспечивает повышение нагрузок на очистные забои, снижение зольности добываемого угля и уменьшение травматизма горнорабочих.

Основные научные и практические результаты проведенных исследований заключаются в следующем.

1. Выполнен гсомсханический и статистический анализ состояния кровель действующих очистных забоев шахт Российской Федерации и СНГ. Устано'влено, что в связи с углублением горизонтов, ростом горного давления и ухудшением горногеологических условий большое число очистных забоев (в отдельных регионах до 40%) отрабатывает пласты с неустойчивыми непосредственными кровлями. Наиболее надежные способы противодействия обрушениям пород основываются на их физико-химическом упрочнении нагнетанием скрепляющих составов и химическом анкеровании.

2. Методами теории упругости решена задача изменения несущей способности трещиноватых пород непосредственной кровли очистного забоя в результате его упрочнения нагнетанием скрепляющих составов с учетом анизотропии горного массива и воздействия работы механизированной крепи.

Теоретически доказано, что устойчивая работа КМЗ при отработке пластов с нарушенными кровлями достигается при насыщении трещиноватых пород непосредственных кровель скрепляющими составами на мощность 1...1.2 м.

На основе сравнительного анализа фильтрующей способности трещиноватого массива рекомендованы формулы для оценки зон насыщения пород скрепляющими составами.

3. Разработана методика обоснования и оптимизации пара' метров технологии упрочнения трещиноватых пород. Составлена математическая модель оптимизируемой системы в виде параметров технологии упрочнения пород очистных забоев, анализа экстремумов и установления огтшальиых значений параметров.

4. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования по изучению закономерности возрастания адгезион-

нои прочности скрепляющих составов к горным породам в зависимости от ориентации в них трещин (30, 45, 90* )на установке неравиокомпоне!гшого трехосного сжатия и методом ядерного резонанса. Обоснован критерий необходимой и достаточной прочности скрепляющих составов к горным породам по растягивающим (более 2 МПа) н сжимающим (более 10 МПа) напряжениям.

5. Разработаны, испытаны и освоены производством:

• скрепляющие полиуретановые составы для упрочнения пород в очистных забоях и магнезиальные составы для укрепления пород в подготовительных выработках;

» комплекты технологического оборудования для одно-компонентного и двухкомпонентного нагнетания скрепляющих составов;

» приборы для контроля качества упрочнения пород на радиоволновом и сейсмоакустическом принципах.

6. Предложены и апробированы на шахтах технологические

схемы:

. ® упрочнения склонных к вывалообразованиям кровель очистных забоев шахт нагнетанием скрепляющих составов;

• укрепления углепородных массивов в монтажных камерах и переходах лавами диагональных выработок;

» создания искусственной кровли с помощью карбамидных скрепляющих составов при отработке мощных пластов;

® упрочнения кровель при камерно-столбовых разработках сланцевых месторождений путем совместного воздействия магнезиальных составов и анкерования;

о предупреждение отжима мощных пластов;

о повышение прочности нависающих массивов при разработке крутых пластов;

» понижение выбрасоопасности крутых пластов при проведении подготовительных выработок;

• охраны основных и подготовительных выработок.

7. Выполненные исследования явились основополагающими при разработке четырех отраслевых методических руководств по упрочнению неустойчивых горных пород полиуретановыми, карба-мидными и магнезиальными скрепляющими составами, армированием массивов полимерными материалами. Методические руководства переданы шахтам и производственным объединениям для практического использования.

8. Результаты работы реализованы при разработке: полиуре-тановых скрепляющих составов; комплектов нагнетательного оборудования для однокомпонентной и двухкомпонентной схем нагнетания; приборов для контроля качества упрочнения пород; технологических схем упрочнения неустойчивых пород полиурета-новыми и магнезиальными составами.

9. Технология упрочнения неустойчивых кровель полиуретаном в 1985-1990 гг. ежегодно внедрялась в 40-50 очистных забоях. Укрепление кровель и сопряжений лав со штреками анкерованием с помощью полиуретановых составов осуществлялось ежегодно в 120-160 очистных забоях. Упрочнение пород в основных и подготовительных выработках магнезиальными составами ежегодно производилось на 3-4 шахтах.

10. Обработанные методами математической статистики результаты упрочнения пород кровель полиуретаном в 53 очистных забоях шахт Донбасса позволили установить вероятностные характеристики ожидаемого прироста добычи и улучшения качества добываемого угля в комплексно-механизированных забоях.

Установлена закономерность и тенденция прироста добычи угля за счет применения технологии упрочнения пород кровель КМЗ. Детерминированная модель снижения зольности при упрочнении пород кровель имеет параболический вид и достигает максимума при значении К=2,16, которое является математическим ожиданием для предварительной оценки возможного снижения зольности от применения технологии физико-химического упрочнения пород в очистных забоях.

11. Применение физико-химического упрочнения неустойчивых горных пород на шахтах создало предпосылки для прогрессивного использования современных технологических схем и комплексов в условиях неустойчивых кровель очистных забоев, число которых, по данным ВНИМИ, в странах СНГ превышает 500, в том числе в Российской Федерации свыше 300.

Основные научные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Технология физико-химического упрочнения горных пород. - М.: Недра. - 1991. - 267 с. (соавтор В.В.Васильев).

2. Физико-химическое упрочнение пород на шахтах. - М.: ЦНИЭИ-Уголь: Обз. инф. Вып. 18. - 1985. - 56 с (соавторы: П.В.Васильев, В.Т.Волков)

3. Методическое руководство по упрочнению неустойчивых горных пород нагнетанием магнезиального состава. - М.: ИГД имЛА.Скочинского. -1985. - 31с. (соавторы: В.В.Васильев, Н.Н.Томашев и др.).

4. Методическое руководство по упрочнению неустойчивых горных пород нагнетанием харбамндного состава. - М.: ИГД имЛАСкочинского. -1988. - 29 с. (соавторы: В.В.Васильев, Н.Н.Томашев и др.

5. Руководство по упрочнению неустойчивых горных пород и угля нагнетанием пеноиолиуретанового состава. - М.: ИГД имЛАСкочинского. -1988. - 28 с. (соавторы: В.В.Васильев, Н.Н.Томашев и др.).

6. Применение магнезиального вяжущего для упрочнения горных пород // Шахтное строительство. - 1985. - №2. - С. 22-24 (соавторы: В.В.Васильев, В.Т.Волков).

7. Упрочнение нависающей части массива угля магнезиальным составом // Уголь. - 1984. - №8. - С. 11-12 (соавтор В.В.Репецкий).

8. Расчет несущей способности кровли в очистных забоях при искусственном упрочнении // Уголь Украины. - 1984. - №9. - С. 7-8 (соавтор В.И.Баркалов).

9. Оценка фазового состояния и прочностных свойств скрепляющих составов горных пород // Физика и техника высоких давлений. Фиэ.-техн. ин-т АН УССР. - Клев: Наукова думка. - 1989. - №32. - С. 55-57 (соавторы: АД Алексеев, В. Н. Рева).

10. Анализ результатов упрочнения кровли очистных забоев полиуретаном// Уголь. - 1992. - №4. - С. 18-19 (соавтор В.В.Васильев).

И. Оптимизация процесса упрочнения трешшоватых горных пород вокруг подземных выработок // Шахтное строительство. - 1990. - №10. - С. 14-15 (соавтор С.В.Томин).

12. Выбор основных параметров физико-химического упрочнения горных пород Ц Шахтное строительство. - 1986. - №11. - С. 10-11 (соавторы: АД.Филатов, В.Т.Всшхов).

13. Ко!гтроль качества упрочнения массива скрепляющими составами // Подземное шахтное строительство. - 1991. - №11. - С. 17-18.

14. Опыт упрочнения неустойчивой кровли магнезиальными связующими на шахтах ПО "Срсдазуголь" // Совершенствование технолопт подземных горных работ: Науч. сообш. ИГД имЛАСкочинского. - 1985. -Выи. 243. - С. 111-114 (соавторы: П.В.Остроухов, АГ.Шабарин).

15. Повышение устойчивости угольного массива в комплексно- механизированных лавах Ц Ушль. - №4. - 1983. - С. 23-24 (соавторы: В.И.Баркалов, П.В.Остроухов).

16. Влияние горно-геологических условий на работу комплексно- механизированных лав // Уголь. - 1988. - №7. - С. 16-17 (соавторы: Ю.С.Сироткин, О.Е.Яценко).

17. Оценка устойчивости кровли, укрепленной связующими составами // Шахтное стронтельстю. - №9. - 1987. - С. 19-21 (соавторы: В.И.Баркалов, АД.Филатов).

18. Методические основы технологии упрочнения неустойчивых горных пород в лавах и на сопряжениях с участковыми подготовительными выработками // Укрепление неустойчивых пород с помощью химического анкерования и нагнетания скрепляющих составов: Тез. докл. на респ. семинаре. - Донецк: ЦБНТИ МУП УССР. -1985. - С. 3-5.

19. Полимермагмезиальные вяжущие повышают качество упрочнения пород // Шахтное строительство. - 1985. - №12. - С. 12-13 (соавторы: В.И.Баркалов, Л.Н.Ручко).

20. Упрочнение неустоГмивых горных пород материальным вяжущим // Уголь Украины. - 1984. - №5 - С. 13-14 (соавторы: 0.В.Васильев, В.Г.Ильюшенко).

21. Опыт и перспективы применения связующих химических растворов для поддержания неустойчивой кровли и сопряжений в очистных забоях // Состояние и основные направления совершенствования способов управления горным давлением при отработке угольных пластов с трудно-обрушаемыми и слабыми кровлями: Тез. докл. Всесоюзн. науч.-техн. совещания. - Караганда. - 1980. - С. 13-14 (соавторы: В.В.Васильев, Ю.П.Носов).

22. Опыт укрепления горных пород в капитальных выработках магнезиальными вяжущими составами. - Донецк: ЦБНТИ Минуглепрома УССР. -1985 (соавтор В.В.Васильев).

23. Расчет напряжеино-деформироваиного состояния кровли при химическом укреплении // Разработка угольных пластов подземным способом: Науч.сообщ. ИГД им.АА.Скочинского. - М., 1987. - С. 109-113. (соавторы: В.И.Баркалов, Л.Н.Ручко).

24. Упрочнение межслоевой пачки угля при выемке мощного пологого пласта // Совершенствование технологии добычи утля подземным способом: Науч. сообщ. ИГД имАА.Скочинского. - М., 1982. - Вып. 213 - С. 87-90 (соавторы: В.В.Васильев, Ю.П.Носов).

25. Влияние физико-химического укрепления на изменение деформируемости кровли в камер-лавах при добыче сланца // Добыча угля подземным способом. - М.: ЦНИЭИуголь. - 1983. - №3 - С. 26-27 (соавтор В.И.Баркалов).

26. Совершенствование технологии упрочнения пород с помощью магнезиального вяжущего // Шахтное строительство. - 1986. - №3. - С. 8-10 (соавторы: В.Т.Волков, П.М.Канцан, АЕ.Корниенко).

27. Оптимизация параметров упрочнения непосредственной кровли очистных выработок // Горнотехнические проблемы: Науч. сообщ. ИГД нмАА-Скочинского. - М., 1990. - С. 33-38 (соавтор С.В.Томин).

2Я. Опыт физико-химического упрочнения неустойчивых пород при выемке крутых угольных пластов на шахте "Юнком" ПО Орджониквдэсуголь. - М.; ИГД имАА-Скочинского, 1982 (соавторы: Г.П.Зезюля, П.М.Кацан).

29. Методические основы укрепления пород подготовительных выработок магнезиальным составом // Добыча угля подземным способом: Науч.-тех. реф. сб. - М., ЦНИЭИУголь, 1983. - №3 - С. 14-15 (соавторы: В.В.Васильев, О.Е.Яиенко, Л.Н.Ручко).

30. Разработка технологических схем физико-химического упрочнения горных пород // Новые- материалы для горношахтного оборудования и упрочнения пород: Науч. сообщ. ИГД им. АЛ-Скочинского. - М., 1993. -Вып. 294 - С. 102-111.

31. A.C. 897944 СССР, Е 02ДЗ/12. Устройство для нагнетания закрепляющих веществ в грунт / И.Т.Бутенко, В.П.Васильев, В.ИЛевченко и др. (СССР). - № 2969907/29-33; Заявлено 24.03.80; Опубл. 15.01.82, Бюл. № 2. - С. 138.

32. A.C. 977812 СССР, Е21Д 21/00. Химический раствор для крепления анкеров / В.В.Васильев, В.ИЛевченко, Л.Н.Ручко, П.В.Остроухое (СССР). - № 3252804/32-03; Заявлено 29.12.80; Опубл. 30.10.82, Бюл. 44. -С. 149.

33. A.C. 1139858 СССР, Е21Д 21/00. Канатный анкер / П.В.Васильев, В.ИЛевченко, Б.Н.Попов-Толмачев, А.Г.Шарабарин (СССР). -№ 3670607/22-03; Заявлено 09.12.83; Опубл. 15.02.85, Бюл. №6. - С. 100.

34. A.C. 1183682 СССР, Е21Д 23/00. Гидросистема секционной механизированной крепи / А. В. Докукин, В.В.Васильев, В.ИЛевченко, Б.Н.Попов-Толмачев (СССР). - № 3677044/22-06; Заявлено 13.12.83; Опубл. 07.10.85, Бюл. № 37. - С.137.

35. A.C. 1191594 СССР, Е21Д 21/00. Быстродействующий состав для породной крепи / Ю.З.Заславский, В.ИЛевченко, АХШарабарини др. (СССР). - № 3729328/22-03; Заявлено 31.01.84; Опубл. 15.11.85, Еюл. № 42.

- С. 128.

36. A.C. 1168710 СССР КЛ.Е21С, 39/00. Устройство да определения трещиноаатости горных пород / В.В.Васильев, В.ИЛевченко. -№3608167/2203; Заявлено 22.06.83; Опубл. 23.01.85, Бюл. № 27. - С. 119.

37. A.C. 1177502 СССР, Е21Д 21/00. Состав для упрочнения горных пород / В.ИЛевченко, В.В.Васильев, Л.Н.Ручко и др. (СССР). - № 373315S/22-03; Заявлено 26.04.84; Опубл. 07.09.85, Бюл. № 33. - С. 121.

38. A.C. 1276813 СССР, Е2Щ 11/00. Способ возведения породной хрепн горных выработок / В.И.Левченко, В.И.Баркалов, С.ГЛунсв (СССР).

- № 3753426/22-03; Заявлено 13.06.84; Опубл. 15.12.86, Бюл. №.46. - С. 120.

39. A.C. 1346811 СССР, Е21Д 20/00. Полимермагнезиальный состав для упрочнения горных пород / В.ИЛевченко, В.В.Васильев, Л.Н.Ручко, В.И.Баркалов (СССР). - № 4049665/22-03; Заявлено 07.04.86; Опубл. 23.10.86, Бюл. № 39. - С. 155.

40. A.C. 1513126 СССР, Е21В 33/138. Вяжущее / В.ИЛевченко, В.В.Васильев, Л.Н.Ручко, В.И.Баркалов (СССР). - № 4278387/29-33; Заявлено 21.05.87; Опубл. 07.10.89, Бюл. № 37. - С. 138.

41. A.C. 1562463 СССР, Е21Д 21/00. Состав для закрепления анкеров / В.В.Васильев, В.ИЛевченко, П.В.Остроухов и др. (СССР). - N° 4455630/2303; Заявлено 05.07.88; Опубл. 07.05.90, Бюл. № 17. - С. 139.

42. A.C. 1640420 СССР, Е21С 41/18. Способ управления кровлей в лавах / С.НАлександров, В.ИЛевченко, М.П.Зборщкки др. (СССР). - № 4672826/03; Заявлено 04.04.89; ОпуСл. 07.04.91, Бюл. № 13. - С. 148.

43. A.C. 1081355 СССР, Е21Д 21/00. Шпуровая пробка для предотвращения вытекания нагнетаемых в углепородные массивы жидкостей /

В.В.Васильев, В.ИЛевченко, Б.Н.Попов-Толмачев, А-ГШарабарин (СССР). -№ 3422177/22-03; Заявлено 07.04.82; Опубл. 23.03.&4, Бюл. № 11. - С. 116.

44. Применение полимерных композиций для поддержания подземных горных выработок // Науч. сообш. / ИГД имААСкочинского. - М., 1995. - №297. - С. 32-36.

Кандидат технических наук Валерий Иванович ЛЕВЧЕНКО

РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ СПОСОБОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА ШАХТАХ

Редактор Л.А.Яковлева

Художественный редактор Л.Н.Захарьящева

Компьютерная верстка Э.Кунтыш

Подписано к печати 17.05.96

Печать офсетная.

Печ.л. 2.25. Тираж 100 экз.

Изд. К? 100107. Тип.зак. //£

Институт горного дела им.А.А.Скочинского, 140004, г.Люберцы Моск.обл.

Типография: 140004, г.Люберцы Моск.обл.