В.Л.САМОЙЛОВ, М.А. ЛУКЬЯНЕНКО Донецкий национальный технический университет
Как показывает анализ производственной деятельности шахт Украины, ведущих разработку на больших глубинах в условиях слабых вмещающих пород, значительная часть протяженных выработок постоянно находится в состоянии ремонта. На выполнении таких низкомеханизированных работ занято около 42 тыс. подземных рабочих. Структурно ремонты связаны прежде всего с ликвидацией последствий процесса пучения пород почвы в выработках (60%) и перекреплением (40%) [1].
Так, в 2000 году удельный объем перекрепления выработок на действующих шахтах Донбасса достиг 7,5 м на 1000 т добычи, а затраты труда на ремонт и поддержание выработок 565,2 чел-см на 1 км протяженности поддерживаемых выработок в год или около 50 чел-см на 1000 т добычи.
На действующих шахтах при ежегодном росте протяженности выработок находящихся в неудовлетворительном состоянии на 2-3%, перекрепляется от 31,2% до 77,8% выработок, нуждающихся в ремонте. Не лучшее положение и на шахтах-новостройках, где перекрепляется по данным ведущих шахтостроительных организаций ("Красноармейскшахтострой", "Макеевшахтострой" и др.) до 80,7% от объема ежегодно проводимых выработок [2].
Современные средства борьбы с пучением почвы горных выработок основываются на двух основных принципах: создание сопротивления движению вспучивающихся пород и применение способов, направленных на управление проявлениями горного давления. Для осуществления первого из них используют крепи различных конструкций, в том числе замкнутого очертания, анкерование почвы, применение в зоне опорного горного давления и за очистным забоем временных усиливающих крепей из спецпрофиля с составными лежнями, а также упрочнение пород почвы. К второму относят взрыво-щелевой способ разгрузки почвы, способ разгрузки почвы пластовых выработок скважинами, образование разгрузочной щелей в почве выработки, торпедирование пород и другие.
На шахтах Донбасса еще с 1960-х годов проводились экспериментальные работы по использованию различных мероприятий по снижению пучения, и самые приемлемые были применены как промышленные. Проведем анализ применяемых мероприятий по предотвращению пучения на шахтах Донбасса.
Способы упрочнения массивов горных пород применялись в виде анкерования, химического упрочнения и упрочнения вяжущими. Испытания способа упрочнения пучащих почв с помощью анкерной крепи проводили на шахте «Шахтерская-Глубокая» объединения «Шахтерсканатрацит». Для этих целей ИГД им. А.А. Скочинского была разработана конструкция витого полимерного анкера ВПА. Испытания проводили на выбранной, маркшейдерской и геологическими службами шахты, выработке, в которой были определены три контрольных участка длиной по 45 – 50 м.
Анализ результатов проведенных испытаний подтвердил следующие преимущества полимерных анкеров ВПА: применение быстротвердеющего фосфорогипсового 25 % раствора обеспечивает высокую прочность закрепления анкеров в обводненных пучащих породах почвы антрацитового пласта и упрочняет их; состав технологичен, имеет высокий набор прочности при малом периоде отвердения: через 12 – 15 мин после затвердения прочность равна 15 – 18 МПа, прочность закрепления установленного анкера Р=120 кН; безампульный способ установки анкеров прост, надежен, дешев и производителен.
Таким образом, вследствие проделанных экспериментов были получены следующие выводы: 1) для эффективного упрочнения пучащих пород в подготовительных выработках шахты «Шахтерская-Глубокая» длину анкеров ВПА целесообразно принимать равной 2,2 – 3 м; 2) анкеры ВПА наиболее эффективны при установке в горной выработке в период ее проведения или в пройденной выработке на участках, не подверженных влиянию очистных работ [3].
Шахтой «Горняк» и МГИ были проведены эксперименты по полимерному упрочнению пород почвы выработок. В качестве объектов были выбраны магистральная полевая откаточная выработка и северный обходной квершлаг горизонта 1550 м, что обусловлено высокой склонностью почвы к пучению и разнообразием горно-геологических условий (в почве чередуется слой песчаников и аргиллитов). За время поддержания выработок (4 – 6 мес.) пучение почвы достигло 1,3 м, что вызвало необходимость перекрепления и подрывки. На момент экспериментальных работ в выработках на всем протяжении произведены подрывка на глубину 1 – 1,3 м и перекрепление с установкой крепи АП – 3/13,8 взамен АП – 3/9,2.
Физико-химический способ упрочнения пучащего породного слоя заключался в нагнетании под давлением полимерного раствора с отвердителем в породы через пробуренные шпуры и герметизирующие устройства. Организационные наблюдения за подвижниками пород почвы показывают, что в течении 6 месяцев с момента окончания работ по нагнетанию ее смещения практически отсутствуют. После 6 месяцев наблюдались следующие подвижки почвы: на сравнительном участке 200 – 210 мм , на опытном 10 – 12 мм [4].
Опыт применения ВЩР показывает, что в результате его апробирования на шахте им. РККА объединения Добропольеуголь, несмотря на значительный срок эксплуатации выработки, экспериментальный участок находился в лучшем состоянии, чем контрольный, где имеют место как нарушения крепи, так и пучение пород почвы. Параметры его были следующими: глубина шпуров 2,2 м, расстояние между ними по длине выработки 0,8 м, заряд в шпуре 0,5 кг. Взрывание в почве осуществлялось одновременно с взрыванием шпуров в забое выработки [1].
Промышленные испытания способа ВЩР проводили и на шахте «Привольнянская» ПО «Лисичанскуголь» в конвейерном штреке 131-й западной лавы пласта К8 мощностью 2 м. Камуфлетное взрывание производилось одновременно с проведением выработки. Замерные станции оборудовались контурными реперами. Из показаний было видно, что за 150 суток наблюдений смещения пород почвы на экспериментальном участке составили 210 мм и имеют явно выраженный затухающий характер, а на контрольном – 950мм. Применение способа на участке длиной 320 м позволило исключить затраты на ремонт выработки, связанные с подрывкой пород почвы.
На шахте «Ворошиловская» № 1 ПО «Ворошиловградуголь» данный опыт применен в восточном полевом откаточном штреке пласта l1 гор.530 м. Инструментальные наблюдения проводили в течении двух лет. За этот период смещения почвы составили: на контрольном участке 300 мм, на экспериментальном – 160 мм. Сближение боков соответственно 115мм и 83мм, опускание кровли – 290 мм и 310 мм [5].
Способ разгрузки почвы пластовых выработок скважинами был испытан на шахте «Кировская» на участке длиной 80 м расположенном во 2-м западном уклоне проведенном по пласту h10. Длина разгрузочных скважин 8 – 10 м , диаметр 300 мм, ширина перемычек 150 – 300 мм. Вне зоны влияния очистных работ смещения почвы на разгруженном участке не отличались от смещений на контрольных, не разрушенных участках. В зоне влияния очистного забоя смещения достигли 450 – 820 мм, в зоне разгрузки 78 – 188 мм. На разрушенном участке был достигнут экономический эффект 105 руб. (в ценах 1984 г ) на 1м выработки при затратах на бурение 30 руб. на 1 м выработки. Эффективность способа разгрузки массива скважинами в большей степени зависит от того, на каком расстоянии от лавы осуществляется разгрузка. Скважины должны буриться впереди лавы за зоной опорного давления [5].
Впервые опытно-промышленные испытания способа АРПУ были проведены на шахте «Донецкая» Краснодонуголь. Эксперименты проводились в восточном полевом штреке гор. 540м на участке длиной 20м между пикетами № 102 и 104 перед зоной вредного влияния очистных работ вышележащей лавы. Во время испытаний АРПУ были установлены три замерные станции, состоящие из контурных реперов. Одна станция (контрольная) находилась в 15 м от участка испытаний. Шахтные наблюдения за смещение породного контура и почвы штрека длились 9 месяцев. За период наблюдений в выработке осуществлялась также трехкратная подрывка пород почвы, но участок с АРПУ находился в удовлетворительном состоянии.
Исходя из данных, полученных в результате испытаний, видно что трудоемкость осуществления способа АРПУ примерно равна затратам на одноразовую подрывку пород почвы в выработке [6].
Данный способ борьбы с пучением пород почвы был испытан и на шахте «Карбонит» «Первомайскуголь», а на шахте им. Менжинского объединения Первомайскуголь АРПУ был принят к промышленному применению.
Опытная апробация упрочнения взрывонагнетанием была осуществлена на шахте им.Героев космоса в забое восточного магистрального штрека №1 горизонта 350 м. Для изучения результатов упрочнения пород взрывонагнетанием в породном забое производили камуфлетное взрывание различных ВВ в шпурах, заполнение твердеющими растворами взрывных полостей и повторное взрывание в них зарядов до начала схватывания раствора. Для изучения эффективности данного способа были проведены 3 испытания на шахте им. Ленинского комсомола Украины: 1)упрочнение почвы взрывонагнетанием; 2) совместное упрочнение пород почвы взрывонагнетанием и боков инъектированием магнезиального вяжущего раствора; 3) совместное упрочнение пород почвы взрывонагнетанием и боков анкерованием. Экономия средств на поддерживание 1 м выработки составила при упрочнении почвы – 11,7 раза, при совместном упрочнении почвы и боков 32,6 раза, при совместном упрочнении пород почвы и анкерование боков 51,4 раза. Фактический годовой экономический эффект 10,3 тыс. руб.( в ценах на 1990 год) [7].
Для исключения выдавливания пород почвы на шахтах Западного Донбасса в экспериментальном порядке в 1970 – 1985 г.г были применены замкнутые металлические крепи круглого сечения и замкнутые металлические крепи с обратным сводом.
Использование металлических замкнутых крепей круглого сечения с тампонажем закрепленного пространства дало положительные результаты, но из-за невозможности проходки таких выработок комбайнами 4ПП-2, ГПК, ПК-9 и ПК-3р от применения этих крепей пришлось отказаться.
Применение замкнутых крепей с выположенным обратным сводом дало положительный эффект, но на небольшое время. Выположенные обратные своды лишь снизили интенсивность пучение почвы в период первых 3 – 6 месяцев после установки. После этого выдавливание пород ускорялось. В сложных горно-геологических условиях шахты им. Героев космоса неоднократно зафиксированы случаи прорезания телом спецпрофиля металлического обратного свода балластного слоя и деформации верхнего строения рельсового пути. Таким образом, были предложены и внедрены крепи арочной конструкции типа АП-3 со стойками, прикрепляемыми к массиву боковых пород с помощью железобетонных анкеров. Железобетонные анкеры ( 4 шт. на 1 арку) препятствуют разобщению боковых пород на вертикальные слои, тем самым компенсируя вертикальные нагрузки кровли. Испытания показали высокую технологичность проходческих работ и необходимую работоспособность предложенной крепи. Состояние выработок после 1,5 – 2 лет удовлетворительное – деформаций крепи и выдавливания пород почвы не зафиксировано [8].
Широкий диапазон горно-геологических условий обусловливает необходимость установления области применения различных способов предотвращения пучения почвы. Выбор рационального способа должен базироваться на физических основах процесса пучения с учетом его экономической эффективности.
Внедрение перечисленных способов на шахтах Донбасса позволило существенно улучшить состояние горных выработок. Однако, как показал опыт, многие способы борьбы с пучением приемлемы в узких пределах горнотехнических и горно-геологических условий. Значительного эффекта можно ожидать при комплексном решении вопроса предотвращения пучения почвы выработок, что включает борьбу с обводненностью выработки и меры по снижению влажности воздуха и породного контура, а также управление напряженным состоянием породного массива почвы на протяжении всего срока службы выработки. Большую роль в эффективности применения того или иного способа играет своевременность их реализации.
1. Роенко А.Н. Новый подход к исследованию явления пучения пород для обоснования мер борьбы с ним. Уголь Украины, №2-3, 1997.С 20 – 22.
2. Кошелев К.Б., Петренко Ю.А., Новиков А.О., Олейников А.А., Захаренко А.В. Перспективные способы поддержания горных выработок на основе использования несущей способности породного массива. ДонНТУ, 1999.
3. Северьянов А.Н., Чураков В.Н. Исследование влияния полимерной анкерной крепи на пучение пород почвы в подготовительных выработках. Уголь, № 10, 1988. С 25 – 26.
4. Радченко В.В., Чуприна Е.С. Совершенствование способов охраны подготовительных выработок в Донбассе. Уголь Украины, № 11,1991.С30–34.
5. Черняк И.Л. Повышение устойчивости подготовительных выработок. М.: Недра, 1993. – 256с.
6. Литвинский Г.Г., Захарченко И.Н. Опытно-промышленные испытания нового способа борьбы с пучением почвы. Уголь Украины, № 8, 1974. С17–18.
7. Пирский А.А, Стовпник С.Н., Опытно-промышленные испытания способа упрочнения пород для борьбы с пучением почвы. Уголь Украины, № 4,1990. С 9–11.
8. Выгодин М.А., Евтушенко В.В. Пучение пород почвы в выработках на шахтах Западного Донбасса. Уголь Украины, № 7, 1987. С 12 – 13.