Канд. техн. наук Н.Е. Костомаров, инж. Ю.П. Кутепов (Уральский филиал ВНИМИ), канд. техн. наук Н.К. Клишин (КГМИ)
Одной из мер, направленных на уменьшение пучения почвы в подготовительных выработках, является сохранение естественной прочности слагающих ее пород. Поскольку прочность пород значительно уменьшается под действием воды, необходимо предотвратить ее доступ к отдельным блокам, кускам породы, на которые происходит разделение почвы в выемочном штреке. Такое разделение почвы особенно интенсивно проявляется в зоне влияния очистного забоя.
Для предотвращения доступа воды к породам могут быть использованы карбамидные смолы, которые широко применяются для создания фильтрационных завес и снижения притока воды в выработки.
Использование синтетических смол для уменьшения пучения пород почвы было опробовано в конвейерном штреке №404 пласта 4 на шахте «Капитальная» объединения «Интауголь».
В ходе опытных работ в конвейерном штреке № 404 пласта 4 определяли возможности и эффективность применения синтетических смол. При этом в почву выработки через шпуры нагнетали карбамидные смолы и отвердитель и затем измеряли сближения кровли и почвы выработки на опытных и контрольных участках.
На участке экспериментальных работ пласт 4 мощностью 1,47 м залегает под углом 5 – 120. Непосредственная кровля пласта представлена аргиллитом мощностью 3,5 – 4,2 м и алевролитом мощностью до 2,8 м. в основной кровле залегает песчаник мощностью 8 м. в почве пласта расположен аргиллит мощностью 1,9 м, ниже которого находится песчаник мощностью до 13 м. Пласт разрабатывается длинными столбами по простиранию на глубине 330 м. Длина выемочного столба составляет 2000м. конвейерный штрек площадью сечения 8,4 м2 в свету и 10,9 м2 в проходке закреплен металлической арочной податливой крепью АП-3 из спецпрофиля СВП-22 с плотностью установки 1,33 рамы на 1 м выработки.
Визуальными наблюдениями и замерами установлено, что пучение почвы в штреке начинается сразу после его проведения и особенно интенсивно проявляется за лавой, когда сближение кровли и почвы в зоне динамического опорного давления составляет 600 – 900 мм. В этом случае арочная крепь деформируется, ножки крепи, прогоны и стойки крепи усиления вдавливаются в размокшую слабую почву. При бурении шпуров в почве на расстоянии 40 м впереди лавы вода обнаруживается на границе аргиллита с песчаником на глубине 1,9 м и при приближении к лаве доходит до поверхности. Насыщение слоя аргиллита водой происходит по трещинам, интенсивно развивающимся в зоне опорного давления впереди лавы.
Аналогичное повышение уровня воды наблюдалось при исследованиях и в штреке пласта 4 на шахте «Глубокая» объединения «Интауголь», где в почве находился аргиллит мощностью 0,8 – 1 м. Опыты по нагнетанию смол в почву штрека проводили на трех участках, расположенных на расстоянии 100, 150 и 110 м впереди лавы (вне зоны ее влияния). На каждом участке бурили шпуры длиной 1,8 – 2 м с углом наклона к вертикали 80 – 850. Расстояние между шпурами в ряду вдоль штрека составляло 4, 2 и 3 м. Бурили два ряда шпуров, расположенных один от другого на расстоянии 1,2 м, а от стенок выработки на 0,8-2,1м. В почву через шпуры нагнетали растворы карбамидных смол КС-СОН-0,1П и МФФ-Ф марки Б. Скрепляющий раствор состоял из смолы (50 – 70%), воды (29,5 – 49,5%) и щавелевой кислоты (0,5%). Смола обволакивала отдельные куски, блоки породы, отверждалась в массиве и предохраняла породу от воздействия воды. Раствор смолы и отвердителя нагнетали по однорастворной и двухрастворной схемам установкой, разработанной в КГМИ. Давление нагнетания составляло 5 МПа, расход раствора 0,03 – 0,09 м3 на шпур, или 0,004 – 0,005 м3 на 1 м3 почвы.
Измерения относительных смещений пород почвы и кровли штрека проводили по методике ВНИМИ. Сближение кровли и почвы в штреке вне зоны влияния очистного забоя на обработанном и контрольном участках было одинаковым и составляло 0,3 мм/сут. Скорость сближения начала увеличиваться на расстоянии 40 – 42м впереди лавы, на расстоянии 20 м впереди лавы она составляла 2 – 3 мм/сут . На участке штрека в 3 – 5 м впереди и в 7 – 9 м позади лавы был отмечен резкий рост скоростей сближения кровли и почвы до 67 – 187 мм/сут. На этом участке уже обнаружена существенная разница в величинах сближения пород: на обработанном смолой участке смещение составило 270 мм, а на контрольном – 610 мм, т.е. смещение на опытном участке было меньше на 340 мм, или на 56% . На участке, охватывающем зоны в 15 м впереди и 60 м позади лавы, смещения кровли и почвы составили на обработанном смолами участке 480 мм, на контрольном – 830мм. Таким образом, эффект обработки пород смолами существенно проявляется в непосредственной близости от очистного забоя.
Наблюдения показали что отвержденная вокруг отдельных блоков, кусков породы смола предотвратила доступ воды к породе, что позволило сохранить ее естественную прочность. В результате этого сухая порода оказала большее сопротивление, чем мокрая, вдавливанию опорных элементов крепи усиления. Эта порода в меньшей степени выдавливалась под действием опорного давления, что привело к уменьшению на 42 – 56% сближения кровли и почвы, в том числе на 60 – 70% смещений почвы.
Применение карбамидной смолы позволяет уменьшить смещение пород в выработке и за счет этого, как показали расчеты, уменьшить затраты на поддержание 1 м штрека по пласту 4 на 13 руб. в год (в ценах на 1986 г). Вопросы подбора смол, параметров технологии их применения, закономерностей деформирования пород в других условиях охраны выработок требует дальнейшего изучения.