автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка способа разупрочнения угольного массива газовым диспергированием с целью повышения устойчивости подготовительных выработок

Министерство топлива и энергетики Роср^иской Федерации Российская академия наук ; ' А.А.?Ско----•

Институт горного дела им. АЛ^кочинс^рго /(

^ /Та-

ор/вах^укописи

Александр Владимирович КОБЗЕВ

УДК 622. Г23?522т444.31.001.5

РАЗРАБОТКА СПОСОБА РАЗУПРОЧНЕНИЯ УГОЛЬНОГО МАССИВА

ГАЗОВЫМ ДИСПЕРГИРОВАНИЕМ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Специальность: 05.15.11 - "Физические процессы горного производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О

Москва 1995

о

о

Рабога выполнена в Институте горного дела им. А.А.Скочинского.

Научный руководитель -

докт.техн.наук Ф.А.Чакветадзе

Официальные оппоненты:

докт.техн.наук А. П. Астахов, канд.техн.наук В.Г.Лисичкин.

Ведущее предприятие - Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела ^ВНИМИ)^

Автореферат разослан /$ 1995 г.

Защита диссертации состои/с_' 995 г.

на заседании специализированного совета ДД3.^.05.051

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета института.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу: 140004, гЛюбсрцы Московской области, ИГД им. А.А.Скочинского.

Ученый секретарь специализированного совета

Д. 135.05.03 ' Н.Ф. Кусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Основными направлениями угледобывающей промышленности на современном этапе является более полное использование основных фондов действующих шахт, наиболее важным из которых является повышение устойчивости подготовительных выработок. В связи с постоянным усложнением горных работ от решения вопросов поддержания подготовительных выработок в нормальном эксплуатационном состоянии зависит эффективность работы комплексно-механизированных очистных забоев, безопасность труда шахтеров, та к как уменьшение сечения подготовительных выработок ухудшает условия транспортирования и вентиляции в шахтах, что приводит к снижению добычи угля в очистных забоях и резкому снижению безопасности ведения горных работ, особенно на высокогазо-сбильных пластах. При проведении горных выработок изменяется естественнсг напряженное состояние массива горных пород, что приводит к деформации пород кровли, почвы и боков. Следует отметить, что характер проявления деформаций горных выработок и их интенсивность часто определяют выбор различного рода мероприятий по их снижению и зависят от физико-механических свойств горных пород, глубины разработки, параметров крепи, характера протекания процессов разрушения боковых пород и т.д.

Как известно, ведение очистных работ вызывает значительные смещения контура подготовительных выработок, что приводит к большим затратам на их восстановление. Наибольшие величины конвергенции приходятся на зоны повышенного горного давления (ПГД). Существующие средства и способы крепления и охраны горных выработок в зонах ПГД не дают ожидаемого результата, так как значительные смещения горных пород в выработке происходят также и впереди очистного забоя, где затруднено возведение искусственных ограждений за исключением применения усиливающих средств крепления в выработке.

Применение же разгрузочных щелей, скважин и т.д. не всегда дают ожидаемого результата из-за малых полостей разгрузки.

Таким образом^изыскание новых техш.ко-технологи-чсских решений в данной области, в частности разработка новых способов активного воздействия на угольный массив с целью снижения интенсивности проявлений горного давления, представляет большой научно-технический интерес. Применение диоксида углерода для этой цели, как показали исследования в представленной работе, оказалось во многом эффективнее существующих методов воздействия. В связи с этим теоретическая, лабораторная и практическая проработка вопроса взаимодействия элементов системы "разрушаемый материал (уголь и порода) - диоксид углерода" при диспергировании угольного пласта с целью повышения устойчивости выработок на весь планируемый эксплуатационный срок их службы является весьма актуальной проблемой.

Цель работы. Повышение устойчивости подготовительных выработок в зонах ПГД посредством диспергирования угольного массива диоксидом углерода.

Основная идея работы заключается в управлении состоянием горного массива методом диспергирования угольного пласта диоксидом углерода.

Реализация результатов работы.

Результаты исследовании внедрены на шахте им. Е.Т.Абакумова ПО "Донецкуголь' при борьбе с пучением пород почвы и на шахте "Заполярная" ПО' Воркутауголь" при пересечении выработкой зон ПГД.

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты теоретически обоснованы, испытаны и внедрены.

Разработан способ разупрочнения угольного массива газовым диспергированием в зонах ПГД с целью повышения устойчивости подготовительных выработок. Результаты диссертационной работы включены в отраслевую программу ГК "Рос-уголь" "Разработка способа снижения удароопасности угольного пласта на основе применения диспергирования угля диоксидом углерода", а также в отраслевую программу 0-10' Разработка эффективных способов разупрочнения горного массива и подготовки его к выемке".

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах лабораторий горного давления, контроля и управления состоянием массива; на совместном семинаре отделений горнотехнических проблем и отделения нетрадиционных способов добычи, научно-техническом со-

вете ПО "Воркутауголь", на научно-техническом совете шахты им. Е.Т.Абакумова.

Методы исследований включают в себя анализ и обобщение научно-технической литературы по рассматриваемым вопросам, аналитические и экспериментальные исследования процесса диспергирования в лабораторных и производственных условиях с использованием физико-химических методов и метода моделирования физико-химических процессов в лабораторных условиях, обработку данных методами математической статистики.

Научная новизна:

установлены закономерности взаимодействия диоксида углерода с угольным массивом, заключающиеся в превалирующей адсорбции С02 на оксидах щелочных металлов;

установлен критерий оценки снижения прочности угля после воздействия С02 и его влияние на прочностные и деформационные характеристики горного массива, позволяющий оценить пригодность шахтопласта к воздействию на него диоксидом углерода.

разработаны технологические параметры способа разупрочнения угля при диспергировании его диоксидом углерода.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается представительным объемом эксперимента, выполненного на углях с различными физико-химическими характеристиками поверхности, сходимостью аналитических результатов с экспериментальными данными.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 брошюры.

Объем и структура работы. Диссертационная работа объемом 210 страниц машинописного текста состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит40 рисунков, 15таблиц, список литературы из 74 наименований и 7 приложений.

Автор благодарен за научные консультации кандидатам технических наук О.А.Эделыптейну и А.В.Джигрину.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние горной выработки в зависимости от ее назначения должно удовлетворять различным требованиям, основным из которых является обеспечение безопасных условий для работающих людей. Для выполнения этого требования горная выработка как подземная конструкция должна быть прочной. Указанное требование обеспечивается, как правило, возведением крепи

в выработке. Объем крепления в основном определяется величиной нагрузки на крепь, которая зависит от ряда факторов и, в том числе от степени разрушенности вмещающего выработку массива пород. Поэтому, увеличивая тем или иным путем прочность пород вокруг выработки, можно несколько уменьшать ожидаемую нагрузку на крепь или при определенных условиях отказаться от нее.

Кроме того, возможно путем применения некоторых мероприятий, влияющих на величину нагрузки, уменьшать последнюю в процессе ее формирования. Снижение нагрузки на крепь также в конечном итоге приводит к увеличению общей прочности выработки. Применение различных мероприятий может приводить к значительному сокращению затрат, требующихся для обеспечения безопасных условий труда в выработке.

Эффективное управление прочностными и деформационными свойствами горных пород может быть обеспечено с помощью физико-химических воздействий на углепородный массив адсорбционно-активными средствами. При этом в массиве не происходит необратимых процессов. За счет снижения свободной поверхностной энергии при адсорбции молекул и ионов поверхностно-активных веществ происходит изменение напряженного состояния массива, его разгрузка. Зная закономерности взаимодействия углепородного массива с адсорбционно-активными средствами и исходя из конечных требований, предъявляемых к массиву, можно подобрать такой состав, после обработки которым будут полностью исключены негативные динамические явления типа горных ударов, обрушений кровли, пучения почвы и т.д.

При использовании физико-химического воздействия на массив управляемыми параметрами становятся такие физико-механические свойства горных пород как пределы прочности на одноосное сжатие и растяжение, изгиб, хрупкопластические и реологические свойства.

Одним из вариантов развития нетрадиционной технологии управления состоянием горного массива является физико-химическое воздействие диоксида углерода на ископаемый уголь.

Накоплено значительное количество экспериментальных данных снижения прочности углей после обработки диоксидом углерода. По данным ряда авторов установлено, что разупрочнение углей диоксидом углерода обусловлено его конденсацией в пористой структуре угля. Как известно, ископаемый уголь имеет сложную структуру, состоящую из набора элементов разного про-

странственного масштаба, причем массоперенос диоксида углерода в углях лимитируется участками, трещиноватокритическимн для данной температуры, что приводит к его конденсации. Образующиеся при такой конденсации многочисленные жидкие включения понижают прочность и разупрочняют уголь.

Для решения вопроса о повышении устойчивости подготовительных выработок в зонах ПГД посредством диспергирования угольного пласта диоксидом углерода были поставлены следующие задачи:

установление в натурных условиях изменения проявлений горного давления при воздействии на угольный массив диоксида углерода;

разработка технологических параметров способа разупрочнения угольного массива с помощью диоксида углерода.

Для оценки влияния режима обработки диоксидом углерода на изменение прочностных свойств угля был проведен комплекс лабораторных исследований. Проведено 4 серии испытаний. В первой серии испытан уголь, необработанный диоксидом углерода, во второй - обработанный в 1-м режиме, в третьей - во 2-м режиме и в четвертой серии - в 3-м режиме.

Режимы обработки проб угля определялись следующими параметрами:

1-й - пробы угля обрабатывались диоксидом углерода под давлением 3 МПа в течение 30 мин;

2-й - пробы угля сначала обрабатывались под давлением 3 МПа в течение 30 мин, затем давление сбрасывалось до 0. После этого давление доводилось до 3 МПа с выдержкой 15 мин;

3-й - сначала давление доводилось до 3 МПа и плавно в течение 5 мин снижалось до 2 МПа. Затем а 5 циклах давление с 2 МПа повышалось до 3 МПа и плавно в течение 5 мин снижалось до 2 МПа. Общее время обработки 30 мин.

В результате анализа проведенных исследований было установлено, что прочность на растяжение обработанного по всем режимам угля значительно (на 39-43%) ниже необработанного.

Модуль упругости необработанного угля заметно отличается от модулей упругости угля после обработки по 1 и 2 режиму (соответственно выше на 27 и ниже на 29%) и значительно (в 2 раза) ниже чем у угля, обработанного по 3 режиму.

Подоле упругой деформации обработанной уголь бесспорно отличается от необработанного угля. После первого режима оора-ботки она снижается на 29 %, а после второго и третьего - соответственно в 10,3 и в 20,9 раз.

Для выяснения происходящих физико-химических процессов в угле при диспергировании его диоксидом углерода были использованы современные методы физико-химического контроля веществ: ИК-спектроскопии и рентгеновского качественного фазового анализа.

Анализ веществ, отобранных для спектроскопических исследований, проводился на спектрометре 1Ж-20 в области частот 400-1800 см и 2800-3800 см"1. Результаты исследований приведены на рис. 1. а

yCA.fi.-

5

Рис. I. ИК-спектры поглощения угольных образцов:

а-К^О; 6-СаО; - уголь, необработанный СО2; — — — - уголь, обработанный СО2

Анализ полученных ИК-спектров поглощения позволил определить спектры веществ, в которых после обработки образцов появляются новые полосы поглощений, соответствующие диоксиду углерода С02. Данными соединениями оказались оксиды щелочноземельных металлов: кальция (СаО) и магния <MgO), которые входят как компоненты в золу.

Анализируя ИК-спектрограмму, приведенную на рис. I ,б, можно сделать вывод о том, что после нагнетания диоксида углерода образуются три разновидности соединений СаО. Одной из них принадлежат полосы поглощения V3 (С02) ~ 1485, V] (С02) "

- 890 и v5 (СаО) - 745 см"1, другой разновидности принадлежат характеристики полосы при V6 (СаО) - 1495, V5 (СаО) - 870 и V4 (СаО) - 733 см"1, третьей разновидности соответствуют полосы поглощения v2 (СаО) - 1480, v4 (СаО) -850и V, (СаО) - 717 см"'.

В ИК-спектрах оксида магния наблюдается полоса V3 (СаО) - 2165 см"1 и полоса при v2 (СаО) - v3 (СаО) -

- 2146-2140 см"'. По положению и величине изотопных сдвигов эти полосы аналогичны спектру СаО. Полоса при V, (СаО) -■« 1472 см"1, также возникающая после адсорбции С02 на MgO, обнаруживает сходство с полосой V2 (С02) ~ 1480 см"1 третьей разновидности соединений СаО.

Изотопные сдвиги полос первой разновидности соединений СаО (группа 1) при адсорбции изотопозамещенных молекул близки к известным для свободной молекулы С02. Возможность их десорбции свидетельствует о том, что полосы группы 1 принадлежат слабо связанным молекулам С02, по положению мало отличаются от частоты колебаний свободной молекулы С02 и могут быть приписаны колебаниям неспецифически адсорбированных молекул.

Более высокочастотные полосы отождествляются с молекулами, образующими с поверхностными ионами кальция слабую координационную связь. На MgO частота колебаний таких молекул С02 несколько выше, чем в случае СаО, поскольку электрон-ноакцепторные свойства MgO выражены сильнее.

Полосы 1485 и 890 см*' можно отнести к димерам С022". Решение обратной спектральной задачи по значениям трех частот первой группы соединений СаО и их изотопных сдвигов позволило оценить значения силовых постоянных связей О—С—О в этом соединении в пределах 150 Н 'м*1.

Относительно низкие значения частот колебаний и силовых постоянных связей в соединении по сравнению с нейтральным С02 можно объяснить только его большим отрицательным зарядом, достигающим -2. Это подтверждается и хорошим совпадением спектров соединений второй разновидности со спектрами соединении Р^СОг, стабилизированных в низкотемпературных матрицах.

Силовые постоянные связей О—С—О в комплексе \fgC02 оказались равными 7,5 и 4,2 Н'м"1 при силовой постоянной взаимодействия связей 0,65 Н 'м"1, что близко к значениям силовых постоянных для первой разновидности поверхностного соединения, образованного оксидом кальция. Для сравнения укажем, что силовые постоянные связей О—С—О в однозарядном анионе СО? равны 12 и 9,3 Нем"1, а в нейтральной молекуле СОг -15,5 Нем .

Таким образом, соединения, образованные на поверхности оксидов Са и Мё, по значениям частот близки к СОг-группе, на которой сосредоточен заряд -2, и представляют собой, очевидно, ионы СОз2", образующиеся в результате взаимодействия адсорбированных молекул СОг с координационно насыщенными нонами Са и По аналогии с нитритами, сульфитами и др. анионами, в которых валентность центрального атома на две единицы ниже максимально возможного значения, соединение СОг2" может быть названо "карбонитным ионом".

Полоса 1472 см"1, появляющаяся в низкотемпературном спектре СО2, адсорбированного на MgO, по положению и поведению сходна с одной из полос соединения 1480см"1, наблюдаемого в спектре СаО. Постоянная К (О—С—О) имеет значение 7-9 Нем"1, характерное для ионов СО22". Все это позволяет отнести полосу 1472 см"1 к колебаниям ионов СО22" с эквивалентными О—С—О связями.

Поверхностные соединения третьей разновидности, которым принадлежит полоса 1227 см"1, также, по-видимому, представляют собой одну из форм карбонитного иона СОг2".

Обобщая результаты ИКС-исследования, можно сделать вывод, что адсорбция молекул СО2 происходит на поверхности щелочноземельных металлов оксида кальция и оксида магния в форме карбонитного иона СО22" с более ярко выраженными сильными адсорбционными центрами на поверхности оксида магния по отношению к оксиду кальция.

Рентгеноструктурный анализ образцов угля проводился на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3. Источником питания рентгеновской трубки служит питающее устройство типа ПУР-5/50. На нем на поворотной плите установлен механизм юстировки. В качестве рентгеновской трубки использовалась труба типа БСВ-22.

Так как предварительно проведенные ИК-спектроскопи-ческие исследования образцов определили изменения структуры угля, характеризующиеся адсорбированием диоксида углерода на поверхности оксидов кальция и магния, то выполнены рентгено-структурные исследования только для двух фаз - компонентов угля оксида кальция и оксида магния, для угольных образцов марки Д шахты "Джергалан" ПО "Средазуголь' и марки КС шахты "Коксовая" ПО "Кузнецкуголь".

Рис. 2. График зависимости отношений ннтенсив-ностей линий спектра от угла дифракции:

а - уголь марки КС; б - уголь марки Д;

___-до обработки диоксидом углерода;

гг. г.= - после обработки диоксидом углерода

На основании проведенного рентгеноструктурного фазового анализа можно сделать ряд выводов. После обработки образцов угля диоксидом углерода снизилась интенсивность линий спектра. Для образцов угля марки Д снижение интенсивности значительнее, чем для угля марки КС, кроме этого произошло смещение максимума интенсивности самой сильной линии по углу скольжения для углей этой марки. Все изменения в спектре (рис. 2) рентгенограмм указывают на смещение, а вернее на увеличение пластических свойств оксидов щелочноземельных металлов кальция и магния, что хорошо согласуется с полученными результатами ИК-спектрометрии.

Таким образом, физико-химические исследования образцов угля, обработанных диоксидом углерода, показали, чтовосно-ве процесса разупрочнения угля лежит не только конденсация СС>2 в поровом пространстве, но и химическое взаимодействие с оксидами щелочноземельных металлов, входящих в минеральную часть углей.

Решение задачи определения объема пучения пород почвы выполнено на базе механики сплошных сред с учетом реологических свойств породы. Реологические свойства пучащих пород описываются уравнением Бингама. В.ЛЛыткиным предложена расчетная схема (рис. 3), в которой почва выработки представлена в виде слоя пучащей породы мощностью Л0, зажатого между значительно более жесткими слоями. Получена зависимость для определения объема пучения на единицу длины выработки, имеющей ширину в почве 2а:

,/-4(1 -/<2Н2

где

Е

л — а а

А = агссох — — —

1 2 К, _ , ±яуН-*КхА--В\, (1)

С.1, 1

а а

— — агссоь — ;

ц - коэффициент Пуассона; Ь - приконтурная зона влияния выработки, м; Е - модуль упругости, МПа; у - объемный вес пород, кН/м ; И - мощность вышележащих пород (глубина залегания), м; К1 - статический коэффициент текучести на сдвиг, МПа; а -половина ширины выработки, м.

Рис. 3. Расчетная схема к определению величины пучения породы (по В.АЛьгткину)

Анализируя данную зависимость и выбранную расчетную схему к определению величины пучения породы, вносим корректировку в расчетную формулу, введя понятие величины, учитывающей влияние зоны диспергирования угля в пласте, которая выполняет роль своеобразного демпфера, поглощающего часть нагрузки вышележащих слоев пород.

Величина Кд, учитывающая влияние диспергирования угольного массива диоксидом углерода, безразмерна и определяется по зависимости

(2)

где Ку - безразмерный коэффициент, учитывающий снижение интенсивности пучения для различных марок угля; Рк - критическое значение давления диспергирования для данной марки угля, МПа; Еу - модуль упругости для данной марки угля.

Анализируя слагаемые зависимости (1), можно сделать вывод, что диспергирование угольного пласта приводит к уменьшению составляющей ^тсуН на величину К^уН.

Подставляя значение величины К^ в зависимость (1), получаем формулу для определения объема пучения на единицу длины выработки, учитывающую влияние диспергирования угольного массива диоксидом углерода:

[М

уН~4К{ л

Л. *]'

(3)

Значение величины снижения объема пучения ЛК= V— У^ можно определить по зависимости

АУ^Л^К^ун

Отсюда определяем значение безразмерного коэффициента Ку, учитывающего снижение интенсивности пучения для различных марок угля,

К - (У~Ъ)ЕЕУ > 4(1 -ц*)1?Ркун'

После получения экспериментальных шахтных данных по снижению интенсивности пучения после диспергирования угольного массива диоксидом углерода, т.е. определения величины ДУ с учетом данных лабораторных исследований по определению величины критического давления С02 при диспергировании угля Рк, эмпирически были определены значении коэффициента Ку для различных марок углей. Результаты экспериментов обрабатывались методами математической статистики.

Значения К» и

Рк представлены в таблице.

Марка угла Значение коэффициента Критическое давление, МГЦ

Кс 0,273 2,6-3,0

д 0,295 - * .

ПА 0,318 . " .

А 0,324 я

Объем пучения на 1 м2 выработки, или высота поднятия почвы определяется по формуле

-^^^[(Н.я-^-!^ 4

Обработка экспериментальных данных методами математической статистики показала, что относительная погрешность расчетных значений величин пучения и смещения контура выработки не превышает 10-15% при заданной доверительной вероятности 0,9-0,95, что подтвердили натурные эксперименты в условиях шахт им. Е.Т.Абакумова ПО "Донецкуголь" и "Заполярная" ПО "Воркутауголь".

Для подтверждения данных, полученных в результате аналитических и лабораторных исследований, были проведены шахтные эксперименты.

На шахте "Заполярная" ПО "Воркутауголь" в условиях вентиляционного штрека лавы 114-е пласта "Четвертого" проведены экспериментальные работы по оценке влияния обработки угольного пласта диоксидом углерода на изменение его напряженно-деформированного состояния. Штрек находился в зоне влияния ПГД от краевой части целиков пласта "Тройного". Работы проводились на двух экспериментальных участках. Каждый участок находился в зоне влияния ПГД краевой части пласта "Тройного" и соответствовал определенному участку наблюдения с расстояниями между скважинами от 2,5 до 7 м.

Изменение напряженно-деформированного состояния угольного массива определялось по изменению температуры и влажности угля, выходу штыба, изменению профилей скважин.

Проведенные экспериментальные работы на шахте "Заполярная" ПО "Воркутауголь" показали, что нагнетание диоксида углерода в зонах ПГД приводит к резкому изменению физико-механических свойств угля:

температура угольного массива после диспергирования снижена на 2-4°С по сравнению с базовой, что соответствует, согласно аналитическим исследованиям, снижению концентрации напряжений в 1,6-2,5 раза;

рабочая влажность угля в радиусе диспергирования повышается на 25-43% (в среднем с 2% до 1,65-2,83%);

замер внедрения индентора в угольный пласт в забое контрольных скважин показал, что диспергирование угля диоксидом углерода приводит к снижению его прочности в среднем на 30%.

Исследования, выполненные на шахте "Заполярная" ПО "Воркутауголь", показали возможность использования метода диспергирования угля диоксидом углерода как одного из способов управления геомеханическим состоянием горного массива и применения его для охраны горных выработок.

На шахте им. Е.Т.Абакумова ПО "Донецкуголь" были проведены работы по нагнетанию диоксида углерода в угольный пласт для улучшения условий поддержания вентиляционного штрека 16-й западной лавы в зоне повышенного горного давления (ПГД) с последующим исследованием влияния этого нагнетания на деформационно-напряженное состояние массива.

Нагнетание диоксида углерода проводилось на экспериментальном участке выработки до начала работы очистного забоя в шпуры диаметром 42 мм, длиной 2-2,5 м, пробуренные по восстанию и падению пласта перпендикулярно оси выработки, в течение 30 мин. В шпуры помещались газовые затворы "Хеслер", соединенные с баллоном углекислого газа через редуктор с манометром. Давление нагнетания изменялось от 4,0 до 2,0 МПа и соответствовало разупрочняющему пороговому давлению. Для оценки проведенных мероприятий проводились наблюдения на участке обработки и на примыкающих к нему с двух сторон таких же по длине участках. Измерение конвергенции вмещающих пород в выработке осуществлялось на замерных станциях, которые оборудовались на каждом участке. Оценка влияния диспергирования на состояние выработки в пределах экспериментального участка показала, что пучение почвы снизилось на 350-380 мм (рис. 4), а смещение контура на 50-80 мм (рис. 5) по сравнению с контрольными участками. На экспериментальном участке наблюдалось горизонтальное равномерное поднятие почвы, в то время как на контрольных участках поднятие почвы было равномерно и имело конусообразную форму.

Обобщая экспериментальные шахтные данные, полученные на шахтах "Заполярная" ПО "Воркутауголь" и им. Е.Т.Абакумова ПО "Донецкуголь", можно сделать вывод о том, что диспергирование угля диоксидом углерода вызывает изменение гсомеханического состояния массива в зонах ПГД и приводит к значительному снижению интенсивности проявлений горного давления и, как следствие, улучшению состояния горных выработок.

V, MM

SOD -W ■ 300 ■ 200 • f

0 7 П 22 48 t, cyX Рис. 4. График изменения положения почвы выработки во времени: (--а-) до обработки СО2; (-----) после обработки СС>2

а«, мм

Рис. 5. График изменения положения кроили выработки ею времени: (——л-) до обработки СО2; (—0—) после обработки СО2

Аналогичным образом, введя критерий диспергирования в зависимости, полученные Либерманом Ю.М. и Кацауровым И.Н. для определения перемещения контура выработки за счет упругих деформаций и ползучести пород, а также перемещения породного контура за счет неупругих деформаций, связанных с ползучестью породы и ее разрушением, нами получена зависимость для определения суммарного смещения контура выработки с учетом ползучести пород и образования области неупругих деформаций:

где

г0 - радиус выработки в проходке, м; А', т • постоянные ползучести породы; Р - реакция крепи; Ор - предел прочности породы в массиве при растяжении, МПа; Г] - угол внутреннего трения породы; § - параметр, учитывающий условия предельного состояния крепи; Гц- безразмерный радиус области неупругих деформаций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные выводы и научные результаты работы заключаются в следующем.

1. Экспериментально доказана эффективность охраны подготовительных горных выработок в зонах ПГД диспергированием угольного массива диоксидом углерода.

2. Установлено, что наличие диоксида углерода в зонах ПГД приводит к резкому изменению геомеханического состояний массива. Диспергирование угольного массива позволяет снизить концентрацию напряжении в 1,6-2,5 раза и прочность угля и среднем на 30%, что приводит к значительному снижению интенсивности проявления горного давления и, как следствие, улучшению состояния горных выработок.

3. Проведенный комплекс лабораторных физико-химических исследований образцов, подверженных воздействию диоксида углерода, методами рентгеноструктурного анализа к ИК-спектрометрии позволил установить, что происходит разрушение структуры составляющих золы угля оксида кальция СаО и оксида магния К^О за счет адсорбции молекул СОг на поверхности данных щелочноземельных металлов в форме карбоштшго иона СОг с более ярко выраженными сильными адсорбционными центрами на поверхности оксида магния со значением силовых постоянных связей О—С—О вэтом соединении порядка 1,5 Нем*'.

3-2~Л'г0 2Ети<х>

4. Лабораторные исследования прочностных и деформационных характеристик угля до и после обработки диоксидом углерода позволили установить значительное снижение на 3943% прочности угля на растяжение и модуля остаточной деформации со снижением доли упругих деформаций в зависимости от режима обработки.

5. Разработана методика определения величины пучения и смещений контура выработки с учетом ползучести пород к образования области неупругих деформаций после обработки угля диоксидом углерода. В методике описано влияние диспергирования посредством введения критерия, учитывающего критическое значение давления диоксида углерода для различных марок угля с учетом основных горно-геологических и горнотехнических факторов.

6. Разработаны параметры способа разупрочнения угольного массива диспергированием диоксидом углерода в зонах повышенного горного давления.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора.

1. Перспектива использования диоксида углерода для управления состоянием углепородного массива / Институт горного дела им. А.А.Скочииского. М., 1994. - 33 с. (соавторы О.А.Эделыцтейн, А.В.Джигрнн, Ф.А.Чакпетадзе и др.)

2. Разгрузка приконтурного массива горных выработок диспергированием угольного пласта диоксидом углерода / Институт горного дела им. Л.Л.Скочинско-го. -М., 1994. - 24с. (соапторы О.А.Эдельштейн, А.В.Джигрин, Ф.А.Чакветпдэе и др.)

3. Особенности дегазации угольных пластов, подвергаемых уплажнению // Проблемы совершенствования безопасности горных работ на шахте / Тез. докл. конф. молодых ученых, 25-26 июня 1991 г.-Донецк, 1991.-С. 3.

Александр Владимирович КОБЗЕВ

РАЗРАБОТКА СПОСОБА РАЗУПРОЧНЕНИЯ УГОЛЬНОГО МАССИВА ГАЗОВЫМ ДИСПЕРГИРОВАНИЕМ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 29.03.95. Уч.-нздл. 1,0. Тираж 100 экз. Изд. №10052. Зак. N2 /Л)

Институт горного дела им. Л.А.Скочинского, 140004, г. Люберцы Моск. обл. Типография: 140004, г. Люберцы Московской обл.