автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка технологии полимерного укрепления почвы горных выработок в условиях шахт производственного объединения "Селидовуголь"

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГОРНАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

ОД

На правах рукописи

РАДЧЕНКО Владимир Васильевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛИМЕРНОГО УКРЕПЛЕНИЯ ПОЧВЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ ШАХТ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ "СЕЛИДОВУГОЛЬ"

05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых"

05.15.11 - "Физические процессы горного производства"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск-1994

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в производственном о &ь единении по добыче угля "Селидовуголь" Госуглепрома Украины

Научные руководители:

член-корреспондент Академии горных наук Украины, доктор технических наук, профессор

член-корреспондент Академии горных наук Украины» кандидат технических наук

Официальные оппоненты:

1. академик Академии горных наук ' Украины, доктор технических наук,

профессор

2. кандидат технических наук,

доцент

ВАОШОЗ Юрий Федорович

ЯНКО

Отонислав Васильевич

УСАЧЕНКО Борис Миронович

ШИРИН

Леонид

Никифорович

Ведущая организация - Производственное объединение по добыче угля "Павлоградуголь", Госуглепрот Украины (г.Павлоград, Днепропетровской обларти).

ю

оо

час.

2ацита состоится ^ 1994 г. в

на Заседании специализированного совета Д 03.06.02 при Государственной горной академии Украины по адресу: 320014, г.Днепропетровск-14, прорпект К.Маркса,19

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке горной академии.

Автореферат разослан 1994 р.

Ученый адкратарь споннолг.зированного сопат, , кандидат т(-хшчге1аг на'; к, допоит

Г

ХАРЧЖО Б. В.

ОЩЛЯ ХАРЛКТЕРИС1ША РАБОТЫ

Актуальность работа. Одним из главных факторов, существенно влиящих на ритмичность и эффективность работн шахты, является состояние .горных выработок. Анализ показывает, что две основные предпосылки предопределили преимущественное применение (до 90 %) на угольных шахтах Украины-арочных металлических крепей; из епецпрофилл СВП: неразработанность и сложность технологии проведения нругоЕта выработок и отсутствие надеиных конструкций замкнутых крепей. По отдельным шахтам ПО "Селидовуголь" объем применения металлических крепей с открытой почвой составляет 86-95 %. Это, в сложных условиях региона, характеризующихся слоистой текстурой, низкой прочность'-) (10-30 Ша) пород, склонных в .обнажениях к большим деформациям, наличием в продуктивной толз;е разрывных дислокаций и источников поступления веды, является причиной.практически повсеместного пучения пород почвы в выработках. Неудовлетворительное состояние выработок заметно влияет ка показатели рзботи шахт. Процент выработок, находящихся в неудовлетворительном состоянии, с увеличением глубины возрастает и по отдельным шахтам достигает 15-20 %,.

При снижении объемов проходки выработок с 89 до 41 тыс. и/год, трудоемкость проходческих работ возросла с 37 до 74 чел.ск/м, а трудоемкость ремонта горных выработок выросла за последние пять лет в 2,3 раза и достигла 83 чел.см/м; объемн ремонта выработок снизились в 2 раза. Объем отремонтированных выработок пс отношения к объемам проводимых - составляет 04,7 % (по Донбассу 55,5). СЮьеум подрывки достигают 60 % общего объема ремонтных работ в выработках. Безусловно, поддержание выработок в таких условиях связано с большими социальными и экономически!.'!! издержками.

Учитывая, что основные горные работы ведутся на глубинах до 500 м (средняя по объединению 323 н), а наибольшая достигнутая глу-

бина-700-750 м (шх. "Горняк" и "Кураховская"), очевидно, что проблема повышения устойчивости выработок, особенно в пучащих породах, приобретает ранг важнейшей.

Исследования специалистов ДонУГИ, НИИОМШС, ИГТЬ! HAH Украины, Государственной горной академии Украины, МГО, МГД им. А.А.Скочинскс го и др. организаций позволили решить ряд задач крепления горных выработок. Однако использование имеющихся разработок не устраняет основные причины неудовлетворительного состояния выработок в широк: диапазоне условий. Очевидна необходимость применения дополнительны; мероприятий по обеспечению эксплуатационной устойчивости выработок, фундаментальные результаты в области механики горных пород (с крытие Jf. 337, СССР и )? I, Украина) позволяет сделать вь:вод, что noi и разработка элективных технологий охраны горных выработок должны быть связаны с возможностями управления состоянием и свойствами ок ружаицих»пород и использованием их несущей способности. Исследован показывают, что одним из перспективных способов целенаправленного изменения свойств пород почвы является физико-химическое упрочнени позволяющее улучшить их механические характеристики путем формиров нип полимернопородных структур за сует заполнения трещин в массиве быстротвердеющими составами, обладающими необходимой адгезией к вы ¡дающим породам.

Вместе с тем, разработка технологий повышения устойчивости вь работок на базе указанных принципов сдерживается слабой изученное! особенностей деформационных процессов при пучении пород, отсутств( ей научных основ обоснования параметров физико-химической обработ! почвы выработок с учетом механизма деформирования и разрушения поре Важными остаются задачи изучения влияния процессов отверждения noj мерных соединений в пористо-трещинной структуре горных пород на и: прочностные и деформационные свойства, устойчивость в обнаяениях.

В связи г. этии,научные исследоьаыш в работе подчинены разра!

з

ке технологии физико-химического упрочнения пучащих пород » выработках, что весьма актуально для изучаемого региона.

Цель работы заключается в раскрытии особенностеГ: механизма деформирования приконтурных пород вблизи основных выработок и обосновании технологии полимерного их укрепления для повышения устойчивости и снижения затрат на гюддеркшшс выработок.

Идея работы - повышение устойчивости выработок достигается полимерной обработкой пород почвы, обеспечивающей увеличение, их прочности и смещение зоны, неупругих деформаций за границ упрочненного елок.

Предмет исследований - геомеханические процесса в слабоиетаьор-физованкых породах вблизи основных выработок угольких вахт, объект исследований - физикз-хтжческая технология повьяения устойчивости выработок.

Методология и кет оды исследования: В работе использован коютл^ иый метод исследований, включающий: системный анализ и обобщение сое ременного состояния по проблеме пучения пород в выработках; методы статистического анализа; теоретические исследования напряженно-дефо}. -мированного состояния породного массива; моделирование процессов физико-химического воздействия на породный массив ; комплексные шахтнпг исследования и промышленную проверку разработок.

7 Научные положения, разработанные лично диссертантом и их.новика

1. Напряженно-деформированное состояние массива почвы выработок, связанное с взаимодействием блоковоопускающихся боковых пород (1,51,7 м). и пород почвы, формируется с образованием зон повышенной их нарушенности (разгрузки), определяемых по величине коэффициента разрыхления, гиперболически уменьшающегося вглубь массива и снижению

(в 1,30-1,35 раза) прочности пород.

2. Расположение зон разгрузки пород в почве характеризуется их смещением от середины выработки к бок?ш (0»8—Г|2 1/)» при этсы м&кси-

сальная глубина распространения зон в массиве соизмерима с полупролет о и выработки и для исследовании/ условий составляет 1,75-2,50 ы.

3. Эффективность снижения пучения почвы выработки после полимерной обработки массива определяется выбором параметров расположения шпуров и нагнетания растворов, обеспечивающих изменение геомеханического состояния пород за счет повышения ортотропности их прочности, которая повышается с ростом интенсивности насыщения массива и сме-цежя зоны кеупругих деформаций за границу упрочненного слоя пород.

На база совокупности полученных- научных результатов раскрыт механизм и установлены особенности протекания геомеханических процессов в породах почвы выработок, обоснованы параметры и технологический регламент полимерного укрепления пучащих пород.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: статистический анализом данных о состоянии 121 гбрлой выработки, обработанных на ЭВМ с использованием апробированных программных средств, использованием конечно-элементного анализа и математического моделирования, обеспечивающих удовлетворительную сходимость расчетных параметров (погрешность не более 10-15%) зон нарушенное™ приконтурных пород и данных шахтных экспериментов, 'положительными результатами внедрения разработок.

Научное значение работы заключается в раскрытии особенностей и установлении зависимостей пучения пород в основных выработках с учетом литолого-геомехакических факторов и их использовании при определении напряженно-деформированного состояния массива и моделировании физико-химического воздействия на него, результаты которых приняты для обоснования параметров и технологического регламента полимерного укрепления парод с целью снижения их пучения.

Практическое значение работы заключается в разработке технологии и рекомендаций по выбору технологического регламента физико-химического укрепления пучащих слабоиетакорфизованних пород, позволяющих:

максимально совместить процессы проведения выработок и управления состоянием массива, чем снизить стоимость работы в 1,5-2 раза, повысить производительность на 20-25 % ; обеспечить экономию металла да 2СО кг на I пог и выработки; снизить трудоемкость ремонта горных выработок в 1,4-1,6 раза; увеличить в 1,3-1,5 раза межремонтный срок поддержания выработок.

Реализация результатов исследований* Результаты работы реализованы при креплении горных выработок на шахтах ПО "Селидовуголь", "Горняк" и им. Д.С.Коротиенко. На базе разработок автора были выданы рекомендации по ремонту выработок на указанных шахтах. По совокупности результатов исследований разработана "Временная технологическая инструкция по полимерному упрочнения пород почвы горных выработок в условиях шахт производственного объединения "Селидовуголь".

По рекомендациям автора: закреплено около 1000 пог м выработок.

Реализация разработок по диссертации позволила повысить устойчивость горных выработок, сократить затрата на их поддержание, обеспечить ритмичность работы-

Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации обсундены и одобрены на X Всесоюзной конференции ."Ззизические процессы горного производства" (г.Москва, 1991 г.), на научно-технической конференции "Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных рудников" (г.Москва, 1990 г.), нг\ Международном Симпозиуме по проблемам прикладной геологии, горной . науки и производства "Механика горных пород и сооружение горных выработок" (г. С-Петербург, 1993 г.). Отдельные разделы работы докладывались на научных семинарах в Институте технической механики Ношч; налыюй академии наук Украины, Государственной горной академии Украины, научно-технических советах научно-исследовательских и проектшгх институтов Госуглепрома Украины.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в одной ("Л( • график и в 9 научных статьях.

Личный вклад автора: В работе I, написанной в соавторство, ав-vopy принадлейит анализ'состояния подготовительных выработок и разработка зависимостей определения параметров полимерного укрепления пород, аналитическая оценка напрякенно-деформироЕанного состояния пород почвы и моделирование физико-химического воздействия" на массив; участие и обработка результатов шахтных экспериментов по снижению пучения пород почвы выработок. В работах 2-6 - определение напрар лений совершенствования способов охраны выработок, аналитическая оценка деформационных процессов в породах почвы, обоснование способа управления состоянием массива полимерной обработкой ; 7 (самостоятельная) - разработка модели физико-химического укрепления пород почвы и проведение компьютерного эксперимента по обоснования параметров способа ; 8-Ï0 - проведение шахтных экспериментов по проверке способов и разработка рекомендаций полимерного укрепления пород почвы выработок.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 13? страниц машинописного текста, 32 рисунка,

23 таблиц0 список использованной литературы из 107 наименований, ' 4-х приложений.

Основу диссертации составили результаты многолетней производственной деятельности, а также научной работы автора, которая выполнялась на шахтах объединения "Оелидовугсль" по отраслевым планам Госуглапрома Украины и ранее по приказам Минуглепрсыа СССР.

Автор выражает признательность-работникам шахт и объединения "Селадонуголь" за помочь в проведении экспериментов и внедрении разработок и благодарит научных руководителей В.Ф.Васючкова и С.В.Янко аа методическую помощь в выполнении работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности проблемы, решаемой п 1 диссертационной работе, сформулированы цель и.идея, приведены характеристика объекта и методов исследования, научная новизна, практическая значимость и результата реализации разработок.

Выполненный в первой главе анализ показал, что проблема пучения почвы в горных выработках относится к числу весьма сложных теоретических и экспериментально-технологических задач механики породных массивов. Неразработанность многих научных и инженерно-технологических вопросов крепления горних выработок в пучащих породах является одной из причин их неудовлетворительного состояния на угольних шахтах Украины. Поддержание выработок в тагах условиях сопряжено с болышиж социальшыи я материальными издержками.

Применительно к условиям исследуемого региона, хара^терагуяце-госл сложными горио-геологаческими условиями, определяемьл.ш: распространением на шахтных полях слабых {прочность 2-30 Ша), пористо-тр?» щиноватих (пористость 10-15 %), слоистых,зачастую со слабыми контактами между слоями пород (сцепление 2-4 Ша), которые при увлажнении и структурном ослаблении теряют прочность (в 2-3 раза) и в обнажениях проявляют большие переме-дегал, проблема снижения пучения почвы выработок, подчеркиваемых арочными металлическими крепями с открытой ■ почвой, приобретает особу» актуальность. Важность ее решения обусляй яивается как зодачами эксплуатации и модернизации действующих, так и перспективой строительства новых шахт.

На территории региона разрабатываются пласты гп^, ,

Е^Л^Хи» Кб и Кц (свиты С| и ф, среднединамкческая мон-кость которых по отдельным шахтам составляет: 0,3-1,5 м, углы падения пластов - 4-35°; отработка пластов ведется столбовой и сплошной систем.-:, разработки. Кровли пластов по устойчивости характеризуются «етыры-м категориями Б^-В,, (от весьма неустойчивых до средней устойчивости),

•мивы - оценивается двумя категориями П} и - неустойчивые и среднеустойчнвые. Эксплуатации угольных пластов региона ведут 8 шахт с проектной годовой производственной мощностью около 5 млн.т, фактическая производительность иахт около 4 млн.т в год. Средняя глубина разработки угольных пластов 323 и, основного работы ведутся на глубинах до 500 м, наибольшая глубина ведения работ 700-750 м достигнута на шахтах "Горняк" и "Кураховская".

Подготовка угольных пластов к отработке пластовая и полевая. П;> расположении выработок можно выделить четыре типа условий: квершлаги, уклони, пластовые и полевые выработки. Практически повсеместное применение для поддержания выработок находит металлическая арочная крепь из СВП: из всей протяженности подчеркиваемых выработок на вахтах объединения (около 503 км) отоП крепью закреплено Оо а по отдельным иахтаы этот показатель составляет 86-95 %»

Анализ практики крепления и охраны горных выработок на шахтах объединения позволяет сделать следующие выводы:

1) применяемая арочная крепь в с лошак условиях региона и большие глубин ведения горных работ зачастую не обеспечивает эксплуатационное состояние выработок: 16-20 % протяженности транспортных я венгичяцнониых штреков, 27,6 % уклонов находятся в неудовлетворительном состоянии; потеря поперечного сечения выработок на 30-50 % происходит за счет лучения пород почвы;

2) высокий процент деформированных выработок обуславливает рост . объемов и трудоемкости их ремонта; за последние пять лет трудоемкость проходческих работ возросла с 37 до 74 чел.см/н; трудоемкость ремонта выработок возросла в 2,3 раза и составляет 83 чел.см/м; объем отремонтированных выработок по отношению к объему проводимых '¡составляет 84,7 Я» при этом объем подрывки от общзго обьема ремонта выработок достигает 60 % ;

■ 3) неразработанность технологий проведения и крепления выработок с оам:цу?ыми типами крепей обуславливает дальнейшее применение

крепей с открытой почвой, поэтому инженерно-технологические решения по поддержанию выработок должны предусматривать дополнительные меры повышения устойчивости пород почвы, фундаментальные достижения в области механики горных пород позволяют заключить, что разработка технологий поддержания выработок в условиях,характерных для исследуемого регкона, должна быть связана с управляемый изменением свойств и состояния приконтурных пород, и(в первую очередь,пород почвы. К числу таких перспективных технологий следует отнести физико-химическое укрепление (<5ХУ) пород, в частности по безампулыгой технологии, обеспечивающей формирование полимернопородних структур за счет заполнения трещин в массиве быстротвердещими составами. Прямой перенос имеющегося опыта укрепления грунтов и пород в других условиях невоз-монен из-за специфики условий регкона, поэтому важными в научном плане являются изучение особенностей деформационных процессов в породах почвы при их укреплении, обоснование параметров £ХУ и оценка ее эффективности в различных условиях поддержания выработок.

Учитывая это и поставленную цель в работе, определена следующие задачи исследований:

разработать типизацию условий поддержания и' изучить особенности пучзния пород почвы выработок в различных условиях;

' выполнить аналитические исследования напряженно-деформированного состояния пород почвн выработок и процесса физико-химического воздействия на массив; • .

Обосновать параметры и технологический регламент физико-химического укрепления пород почвы выработок;

провести сравнительные шахтные испытания разработанной технологии полимерного укрепления пород и установить область ее рационального применения.

Во второй главе изложены результаты решения первой задачи. Постановке вахтных экспериментов предшествовали систематизация и обобле-

гае информации об инженерно-геологических условиях региона, с целью разработки типизации условий поддержания выработок» Данные статистического анализа пород почвы, разрабатываемых угольных пластов, поз— . волили сделать следующие выводы: •

1)54? почв пластов сложены аргиллитами и 45%.- алевролитами,-2) в подавляющем большинстве случаев непосредственная почва пластов небольшой мощности, что при невысокой прочности пород является неблагоприятным фактором для устойчивости выработок; 3) последующие слои пород почвы характеризуются чередованием алевролитов и аргил-.' литов, при этом для последних зачастую характерны текстура кучерявчи-ка, включения углистого материала, наличие зеркал скольжения; 4) с удалением от угольного пласта повидается монолитность и крепость пород, уменьшается послойная литологическая дифференциация. Учитывая эти особенности, геомеханическую характеристику пород - коэффициент крепости,по шкале проф. М»М.Протодьяконопа, были проанализированы данные маркшейдерских измерений и наших наблюдений по пучению пород почвы в 121 выработке.

На базе совокупности этих материалов, принимая в качестве критериальных признаков литолого-структурные особенности, коэффициент крепости пород и горно-технологический показатель - величину пучения пород, разработана типизация условий поддержания выработок в пучащих породах для условий шахт ПО "Селидовуголь" (табл. I). Разделение условий на количество типов осуществлено с учетом наблюдаемой величина пучения и рекомёццаций ВЙЩ по выбору шкалы оцениваемых условий.

Впервые выполненная для региона такая литолого-геомеханическая ыпизация условий поддержания выработок принята за основу при методической изучении процессов пучения и для дифференцированной разработки инженерных и технологических мер его снижения.

Для оценки количественных показателей и установления геоыеха-Нических особенностей лучения пород в выработках методами непосред-

Таблица I

Литолого-геомеяаническая типизация условий поддержания выработок в пучащих породах

Тип условий по пучения Литотип (макроскопические и петрографические признаки) Коэффициент крепости по скале Ы.М.Про-тодьякснова Величина пучения, м Степень пучения Объекты анализа и реали зации

I Аргиллиты, алевролиты слоистые, комковатые с текстурой кучерявчика, трециноваше, малопроч-¡ше, с включением углистого материала, наличием зеркал скольжения Менее 1,5 Более 1,0 Весьма сильная Пласта

П Алевролиты слабослоистые, с переслаиванием аргиллитов с включениями гликосидерита, со слабым сцеплением слоев, ниже средней крепости с поверхностями расслаивания 1,5-3,0 0,61-50 Сильная

ш Алевролиты с прослеяивавциыися контакта;.'.» между слоями, в монолите сседней крепости среднее сцепление 3-4 0,41-0£0 Средняя

1У Алевролиты монолитные с постепенным контактом и сильным сцеплением, ваше средней' крепости, песчано-глинкстые и песчанистые сланца 4-5 д 21-0,40 Слабая

у Переслаивающиеся алевролиты и песчаники, песчаники, сравнительно крепкие в монолите, с разнонаправленными трещинами Больше 5 0,0-420 Весьма слабая

ственных длительных измерений^- смещений почвы, ультразвукового прозвучивания, вертикального электрического вотирования (ПЭЗ) и контроля интенсивности естественного импульсного электромагнитного ' поля Земли (метод ЕИЭШ) исследовано состояние породного массива (почвы)" необработанного и обработанного полимерными растворами.

При механических измерениях в качестве интегральных характеристик состояния вырабцтск были приняты величина и скорость пучения почвы lin, .скорость уменьшения сечения Ifs и относительное уменьшение поперечного сечения штрека «в. Группирование выработок по типам условий (табл. I) позволило укрупнен!га оценить указанные показатели. Наибольшая величина ifn характерна для слояных условий (1-П тип), которая в интенсив1юм периоде деформирования пород достигает 80-130 мнД'ес, для Ш и 1У типа условий она варьирует в пределах 18-55 мм/мес для У типа составляет 10-15 мм/мес. Соответственно изменяется и величина В зависимости от типа условий для интенсивного периода деформирования она изменяется в пределах 12-200 см^/сут, а в период стабилизации смещений пород - 3-80 см^/сут, Наибольшая величина значений ^равная 0,40-0,59, присуща для выработок, .поддерживаемых в 1-П типах условий. Для Iil-У типа условий она составляет 0,12-0,38. Показатель позволяет прогнозировать возможную потерю поперечного сечения выработок на стадии стабилизации процесса пучения.

На базе совокупного анализа маркшейдерских данных о пучении и объемах подрывки выработок получены уравнении множественной корреляции для определения объемов ремонтных работ. Объем подрывки определяется: для вентиляционных итоеков

( —1 г- Ьелг- '

Vn,g. = X,-!.{■ {о'х^о^х^чШМ.^^О^х^тзСпх^Щ

для траиспсчтннх штреюд

—ГПр* 2 '

С г) 1 »00. "СЗх.-СЗ Ю xï + O.'ilt^nAz V°«>

Р ~а,7.

где Х< - глубина заложения выработки, м; Х^- длина выемочного участка (выработки), м; Х3- крепость пород почвы по шкале проф. М.М.Протодьяконова; X/, " мощность' пород почвы, м.

Результаты оценки геомеханических особенностей пучения пород в выработках сводятся к следующему.

Длительными механическими измерениями пучения пород в выработках выявлено три характерна периода в развитии отого процесса: интенсивные деформации (до 2-3 месяцев), стабилизация перемещений с существенным уменьшением скорости пучения и развитие разрывного разрушения пород по длине выработки на удалении 0,7-1,0 м от ее боков, с формированием характерного для данных условий профиля иучацей почвы. Подрывка почвы чаще активизирует процесс смещения пород. Характерными видами пучения в слабых породах является симметричное или смещенное к боку выработки выдавливание пород ; в породах средне?, и выше средней прочности имеет место шатрообразование и плоский надьпг слоев. Показано, что доминирующим фактором, наряду с литолого-гео-механическими условиями,поддержание выработок, определяющим механизмом пучения пород почвы, является взаимодействие перемещ£:дцихся пород в боках выработки и слоев пород почвы, в значительной мере зависящее от условий их нагруженил и контактирования слоев. Электрометрическими измерениями установлено, что напряженно-деформированное состояние пород почвы формируется с образованием зон ловышенной иарушенности (разгрузки). Оценка гчраметров этих зон осуществлена по величине кажущегося электрического сопротивления пород и вычисленному коэффициенту разрыхления ( Кр) , Значения возрастают от продольной ос:: выработки к ее бокам

б 4-8 раз, т.е. зона максимальной нарушенное?!) ; смещена от центра выработки к бокам, а ее ширина на псслодованньгх участках составила 0,2-0,3 ширины вьработки (0,6-1,2 м). Величина ¡Српо глубине градирования пород почвы изменяется в пределах 1,07-1,^ С увеличением глубины зондирования (до 3,5 м) снижение Кр носит ткпнр-

болический характер, а зона расслоения пород достигает глубины 1.75-2,0 м.' Эти выводы подтверждены данными ультразвукового прозву-чивания пород почвы, которыми такие установлено, что прочность пород ь нарушенных зонах в 1,30-1,35 раза ниже, чем в сплошном массиве.

На базе полученных результатов дано геомеханическое обоснование механизма процесса пучения пород как результата' совместного взаимодействия блоковоопу'скащихся боковых пород,нагружающих слои почвы, вызывая отрывные явления в них, развитие сдвига пород в условиях формирования различных форм их"выпора в полость горной выработки.

В третьей главе дано решение второй и. третьей задач.На основании результатов шахтных наблюдений, .сформулированы геокеханические предпосылки постановки аналитических задач. Аналитические исследования напряженно-деформированного состояния (1ЩС) массива и процесса физико-химического воздействия на горные породы подчинены обоснованию параметров полимерной обработки пород с учетом особенностей их деформирования вблизи выработок.

Исследование напряженно-деформированного состояния массива вокруг подготовительной выработки с детальным его анализом в породах почвы проведено с использованием метода коночных элементов, базируясь на теоретических.положениях механики сплошной среды и строительной механики. В рамках МКЭ рассматривается задача теории'упругости, учитывающая плоско-деформированное состояние линейно-деформированного (наследственного) породного массива. Принятая расчетная модель отображает прямоугольный участок исследуемой области, содержащий горную выработку, размеры которой соответствуют характерным размерам основных подготозительных выработок на шахтах ПО "Селидовуголь". Принято, что исследуемая область нагружена сверху равномерной нагрузкой от воздействия налегающих пород, распределенной симметрично относительно начала координат (оси выработки). Исследуемая область разбита на 1482 элемента и 800 узлов. Осема позволяет сгустить сетку разбиения

в местах высоких градиентов напряжений в приконтурной зоне и повысить точность решения. Для учета фактора времени принято интегральное уравнение Больцмана-Вольтерра, а в качестве ядра ползучести -ядро типа Абеля.

Для расчетов были приняты следующие показатели свойств пород:

' с с

модуль упругости-2,5« Кги 2,4-Кг МПа соответственно для алевролита и аргиллита, коэффициент Пуассона-0,3; плотность~2,6+2,8 гу"см3.

Полученное решение дает возможность определить напряжения в массиве и величин перемещений пород вокруг подготовительной выработки. Определено условие устойчивости пород вблизи вырабокии, в т.ч. почвы, выполнено по оценке вертикальных напряжений и перемещений в характерных сечениях. Результаты расчетов в диссертации представлены в виде графиков, характеризующих изменение напряжений и перемещений массива.

¡.1

Аналитическими исследованиями установлено:

1) напряжения в почве выработки и на удалении 3 м ниже почвы резке возрастают от середины выработку, где они наименьшие,к ее бока»/, достигая своего максимального'значения на удалении двух полупроль-тов выработки на уровне почвы;

2) наибольшие смещения почвы происходят ближе к бокам выработки, с углублением в массив, уменьшаются (на глубине 2,5 м в 1,6 раза меньше, чем на поверхности почвы) ;

3) совокупный анализ результатов шахтных измерений и расчетов позволяет заключить, что процесс пучения почвы обуславливается опусканием пород, залегающих в приконтурном слое (1,5-1,7 м), и перамеще-нием поверхностных слоев пород почвы;

4) сопоставление параметров зон интенсивных перемещений пород, полученных по шахтным измерениям,и вычисленных, показывает их удовлетворительною сходимость (погрешность не превышает 15-20 Я).

Таким образом, -выполненный теоретический анализ и шахтная оценка

напряженно-деформированного состояния пород вблизи выработок дают возможность обосновать параметры заложения шпуров для нагнетания полимерных растворов.

В целях обоснования параметров химического укрепления породного массива решена задача о распространении полимерного раствора в трещи нко- пористой среде (совместно с .Васвчковым), учитывающая различие в скорости движения раствора по трещинам и проникновения в блочный массив, зависимость проницаемости пород от функционирующих в них напряжений , временной фактор и разность давлений жидкости в трещинах и породах.

На базе этих исследований .разработана методика расчета основных параметров нагнетания полимерных растворов в массив (табл. 2)

Таблица 2 ■

Методика расчета параметров нагнетания полимерного раствора в породы

Этапы расчетов

Расчетные уравнения

Размер эффективнообра-ботанной зоны пород

Время нагнетания раствора

Глубина герметизации шпуров

* _ Сп- п Ra.fr п

(4)

(5)

где \Д/Р - предельное насыщение ; требуемое насыщение ;

оС - коэффициент проницаемости блоков пород ; - давление жидкости

г/

с среде ; ^ - вязкость жидкости ; - коэффициент проницаемости

среды с учетом напряжений я массиве; /г - пористость фильтрующей среды. .

Используя результаты оценки НДС породного массива и моделирования процессов нагнетания скрепляющих растворов в породы, а также принципы статистического моделирования, выполнено обоснование параметров ЭХУ пучагцих пород как многофакторной линейной системы, содержащей в качества определяющих три технологических фактора: расстояние меяду рядами шпуров по длине выработки (, глубину шпуров и количество подаваемого раствора в один шпур (С?). При моделировании в качестве граничных условий при оценке эффекта упрочнения принята величина пучения почем выработки. Для конкретных горно-геологических условий поддержания заработок обоснованы параметры ФХУ пород почвы.

В четвертой главэ работы изложены результаты сравнительных шахт~ них испытаний рекомендуемой технологии и разработать:' научно-техни-чеекке принципы выбора ее параметров,

В работе дана характеристика участков испытания технологии

§ХУ пород почвы выработок. Контрольные и экспериментальные участки,

как правило, были закреплены крепью КШ-ЗЛ (АП-3) сечением 13,8-18,Зм* Технологическая схема обработки пород почвы полимерными растворами

била следующая; в симметрично расположенные по 2 или 3 шпура в ряду,

с углом наклона к вертикальной плоскости 25-30°, нагнетался раствор

сысоконапорными установками. Полимерный раствор готовили на основе

крепителя Ш-2, используя в качестве отвердителя щавелевую кислоту в

такой пропорции: на I м3 расход отвердителя 7 кг, воды 60 л; соот-

шшение объема веди к обьему полимерной смолы -1:2. Такая рецептура

состава раствора обеспечивала его отвертдение в течение 4,5-5,5 часов.

На баэр результатов наблюдений на обработанных и необработанных ' юлимерними растворами участках выработок установлено:

IB

1) полимерное упрочнение пород переводит их по сравнению с неупроч-ненными породами в геомеханическое состояние с режимом деформирования, характеризующимися менее интенсивным разрушением и расслоением, что в совокупности повышает устойчивость почвы выработок;

2) электрометрическими измерениями установлено смещение вглубь массива на 1,75-2,0 ы зоны неупругих деформаций -за границу упрочненного слоя пород i

3) по данным измерений интенсивности электромагнитного излучения выявлено возрастание количества импульсов на участках выработок с укрепленными почвами, что позволило сделать вывод о. повышении ор~ тотропности прочности пород .после полимерной обработки, которая увеличивается с ростом интенсивности насыщения массива полимерным раствором;

4) физико-химическая обработка пород, в зависимости от условий поддержания выработок и параметров нагнетания полимерного раствора,, обеспечивает снижение в 1,5-4,6 раза пучение почвы выработок; весьма эффективным является полимеранкерное укрепление пород почт

На базе обобщения теоретических и экспериментальных исследова-. ний разработаны научно-технические принципы выбора схем и технологического регламента полимерного упрочнения почвы выработок, базирующи еся на идее вовлечения в работу приконтурного массива путем его физико-химической обработки, технологическая реализация которых дана в табл. 3.

Испытания и расчеты показывают, что технико-экономические преимущества рекомендуемой технологии определяются: отказом от применение замкнутых типов крепи, снижением затрат по прямым (190-250 руб. пог.м цены 1988 г.)'и трудоемкости ремонта выработок (в 1,4-1,6 раза):, ФХУ пород обеспечивает экономию металла до 200 кг на I пог ;м выработки; затраты на ЗзХУ в 1,5-2,0 раза ниже по сравнению с затратами на подрывку почвы при традиционной технологии крепления змработок.

Таблица '3.

Рекомендуемые параметры и регламент повышения устойчивости пород почвы

Тип условий Схема ЗХУ Параметры раЬположения спуров Параметры нагнетания ДОПОЛНИТСЯ! кые меры

е,м — 1 87А»| О-Л'¡111 Р,МПа. {нтн факторы параметра

а,

Ш

I

тл

п

т.

2,5 2,0 30 0,8 0,61-0,70 450 12 10 Интенскн- Приконтурный

ное опира- тампокая . ние кровли ' Д:П:В = 1:3:2 ' Отставание тампо-

нажа 1-5 сут

2,5 3,0 30 0,8 0,61-0,70 450 12 10 Интенсив- Припочвеннкй такие

поз боко- ная вое пере- Ц:П:В = 1:4:1,75 кещеиие Отставание текпо-

2,5 2,5 25 0,5 0,61-0,70 350 10 8

2,2 2,5 25 0,5 0,51-0,60 250 . 10 8 2,2 2,0 25 1,0 0,50-0,60 150 7 8

нгжа 10 сут.

(J использованием разработанной автором технологии закреплено • чоло 1000 пог м выработок. Определен объем применения технологии ;ХУ пород на шахтах объединения "Селидовуголь": при проходке выработок - 20 %, при ремонте - 20-25 %.

Таким образом, комплекс выполненных исследований показал, что технология физико-химического укрепления почвы выработок геомеханиче-еки обоснована, технически обеспечена и экономически целесообразна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная научная задача, эакля чающаяся в обосновании параметров и технологии физико-химического ук- . рспления почвы горных выработок, обеспечивающих повышение их.устойчиво' сти и снижение затрат на поддержание.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются з следующем:

I. Доказано, что применяемые в широком диапазоне горно-геологических условий шахт ПО "Селидовуголь" арочные податливые крепи не обеспечивают долговременное эксплуатационное состояние выработок, так как протекание геомеханичоских процессов вблизи них в значительной мере связано с интенсивным расслоением пород и пучением почвы. Показано, что в таких условиях поддержание выработок может быть обеспечено комплексированием способов с обязательным управлением состоянием породного массива. На базе фундаментальных достижений механики породного массива дане обоснование выбора технологий полимерного укрепления как перспективного способа управления состоянием приконтур-ных пород.

Разработана типизация условнГ: поддержания горных выработок в пучащих породах по комплексу литологических, геомеханических признаков и величине пучения почв, которая использована для прогностических полей при исследованиях оценке состояния массива и горных выработок,

.■"•'■ m • .

обоснования технологических решений повшеиия их устойчивости.

2. Выявленные особенности геомехннических процессов вблизи нн-работок сводятся к следующему ;

- установлены стадийность и количественные показатели пучения пород почвы в различных условиях при различных видах их деформирования ; ,

- выявлено формирование зон повышенной нарушенное!« пород почвы, располагающихся по ширине на удалений 0,5-1,2 м от беков вцработ« ки и прослекивающихся на глубину 1,75-2,5 м, определяемых по величине коэффициентов рахрыхления пород (1,07-1,20), значения которых ги-; перболически^понияаптся с удалением от почвы выработки ;

- установлены прочностная неоднородность пород по мощности пучащих слоев и снижение прочности пород в 1,30-1,35 раза б нарушенных хонах;

- устгновяено, что формирование зоны максимальных вертикальных напряжений на уровне почвы выработки происходит в приконтурком слое мощностью 1,5-1,7 м с границей на удалении двух полупролетов выработки от зе середины, к этой зоне приурочены наибольшие опускания боковых пород, которые уменьшаются вглубь массива от поверхности почвы;

На базе совокупности полученных результатов- обоснован механизм процесса пучения пород в выработках о открытыми почвами как результат совместного взаимодействия блоксвоопускающихся боковых пород,нагружающих слои почвы, вызывая отрывные явления, развитие смешанного сдвига в условиях прерывистого скольжения, обуславливающие формирование различных форм выбора пород в полость горной выработки.

3. На базе аналитического решения задачи о распространении полимерного раствора в трещиновато-пористой среде, учитывающей разносе' давлений жидкости в трещинах и породных блоках,временной фактор,пол^. чены зависимости, отражающие физические закономерности насыщения noie

»ого массива полимерными растворами при ого нагнетании, позволившие обосновать параметры физика-химической технологии укрепления почвы выработок. .

4. Шахтными' исследованиями ц внедрением -разработок установлено, что технология полимерного укрепления пород почзы ЕЫработок обеспечивает: повышение несущей способности породного массива, снижение интенсивности его разрушения и расслоения j , смещение вглубь массива на 1,75-2,5 и зоны неупругих деформаций, что позволяет в совокупности^ зависимости от условий к параметров нагнетания полимерного рас-

тзора,умекьаить в 1,5-4,6 раза пучение пород в выработках.

5. На основе когиплекса аналитических и .экспериментальных исследований разработаны научно-технические принципы выбора схем и технологического регламента полимерного упрочнения пород почвы выработок, в различных герно-геэлогических условиях.

6. Внедрение рекомендуемо? технологии позволяет снизить металлоемкость крепления (до 200 ::г на I пог м), отказаться от применения замкнутых типов крепи, снизить затраты и трудоемкость крепления и ремонта горных выработок. По разработанной технологии закреплено около I00G пог м выработок. Определен обьем применения.технологии полимерного укрепления пород почвы.до 20 % при проведении и до 20-25 % при ремонте выработок.

Основные положения и содержание диссертации опубликованы в' J0 печатных работах, главными' из которых ' являются следующие:

1. Янко C.B., Радченко В.В., Краков Е.А., Чуприка B.C., Кузнецов В.Л. Прогрессивные технологии полимерного укрепления угля и пород в шахтах. - Киев, Техника, 1993. - 176 с.

2. Васючков Ю , Краков Е.А., Янко C.B., Рвдченко В.В. Физико-химические способы охраны горных выработок^Трудь.' Международного симпозиума по проблемам прикладной геологии, горной наука и производства "Механика горных пород и сооруаение горных выработок".—Сакк-Пе?ер<5ург, 1992. - С. 45-49.

3. Радченко В.В., Чуприна E.G. Совершенствование способов охрани • подготовительных выработок и Донбассе//Уголь Украини5 1991. -

» II. - С. 30 - 34.

4. Юраков Е.А., йнко C.B., Калфакчиян Л.П., Радченко В.В. Аналитическая оценка напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработки с учетом пластичности пород//Горный информационно-аналитический бюллетень. - М., ЩИ, 1992. - № I. - б с.

5. Радченко В.В. Физико-химические способы охраны пл&стовых подготовительных выработок //Горный информационно-аналитический бюллетень. - М..МГИ, 1992. - № I. - С. 14 - 15.

6. Васючков Ю.В., Радченко В.В., Юраков Е.А., Язруян Ю.А. Укрепление почвы наклонного ствола полимерными соединениями //Горный информационно-аналитический бюллетень. - М., МГИ, 1992. - ]$ 3.

- 6 с.

?. Радченко В.В. Разработка модели физико-химического укрепления почвы подготовительных выработок с использованием компьютера IBM ПС-П // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М., МГИ, 1993. - № 2. - 6 с. 8. Радченко В.В. Физико-химическое укрепление почвы и разработка рекомендаций tío повышению устойчивости выработок, с применением полимерного воздействия на. массив //Горний информационно-аналитический бюллетень. - П., МГИ, 1993. - № 4. - 8 с. АННОТАЦИЯ '

Радченко В.В. Разработка технологии полимерного укрепления почвы горных выработок в условиях шахт производственного объединения "Селидовуголь", рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических ' наук по специальностям 05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемих" и 05.15.11 - "Физический процессы гор-

ного производства", Государственная горная академия Украины, Днепропетровск, 1994.

На базе установленных закономерностей протекания процесса пучения сформулированы научно-технические принципы выбора параметров физико-химической обработки пород почвы выработок, обеспечивающих повышение их устойчивости путем формирования в почве полимернопо-родных охра.:пых структур повышенной несущей способности, определены область и эффективность применения разработанной технологии.

К.тючэв! слова: вугхлька шахта, riprom виробка, стхйкхсть порхд, пол1мерне укргплення, технолог!я, параметри, ефекгивн1сть. Зшиаагу

Hadchenko V.V. Development of a technology of the polymeric strengthening of underground openings floors in the conditions of Se-lidcvueol coal ¡¡¡inee.

Tbeais for the ceudidate of technical sciences degree,speciality 65.15.02. "Underground mining " end 05.15-'1'' "Physical processes in raining ",Stete mining ecedeny cf Ukraine, Dnepropetrovsk.1994.

On the basis of found i-egularities in the floor heaving processes scientific-technical principles hsve been formulated for choosing the paraneters of physico-chenical processing of floors in ouch op-fir.ings which increases, their stability Ъу me ens of a formation of rock-polymer structures with a higher supporting fibility. alleo there is a description of a range of possible applications of the technology vdth en optimal afficianoy.

Key words ! cool nines, underground openings, rock stability, po-.lyneric strengthening, technology, parameters, efficiency.