А.А. Пирский, д-р техн. наук, С.Н. Стовпник, инж.
Увеличение протяженности поддерживаемых выработок сопровождается приростом их неудовлетворительного состояния, достигающего в Донецком бассейне 40%. Более половины ежегодно ремонтируемых выработок – это выработки, где ведется подрывка почвы. Наличие преимущественно слабых пород (5 – 20 МПа) обусловливает на шахтах Западного Донбасса пучение почвы, основной способ борьбы с которым – подрывка пород (до 200 км в год). Уменьшение пучения достигнуто при использовании замкнутой крепи типа КМП с креплением обратного свода. Однако при заложении выработок на глубине более 300 м пучение усиливается в 2,5 – 3 раза и достигает 1,1 – 1,2 м в год, причем период его затухания сопоставим со сроком службы выработок.
Эти результаты позволили предложить и разработать способ упрочнения пород с использованием давления взрывных газов для нагнетания твердеющего раствора.
Опытная апробация упрочнения взрывонагнетанием была осуществлена на шахте им.Героев космоса в забое восточного магистрального штрека №1 горизонта 350 м. Выработка полевая, массив сложен аргиллитами прочностью 8 – 14 МПа и мощностью более 7 м. В почве на глубине 0,8 – 1,2 м от подошвы штрека залегает пласт с11 мощностью 0,8 – 1 м, прочностью на сжатие 18 – 24 МПа. Площадь сечения выработки вчерне 16 м2, всвету 13,8м2 (до осадки). Способ проходки комбайновый со скоростью 3 м /сут.
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. При дальнейшем проведении выработки вскрыли взрывные полости. Подтверждена работоспособность технологии взрывонагнетания по заполнению трещиноватости и выбран магнезиальный вяжущий раствор как наиболее приемлемый по сохранению свойств схватывания и сцепления с породами при взрывонагнетании.
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.
Первый опыт был проведен в откаточном квершлаге горизонта 480 м. Выработка площадью сечения 15,5 м2 всвету закреплена крепью КМП – А3 из СВП-33, плотность – 2 рамы на 1м. Вмещающие породы представлены переслаивающимися алевролитами и аргиллитами мощностью до 5м, прочностью 14 – 18 МПа. За полтора года поддержания сделано 2 подрывки почвы на общую глубину 1м. Интенсивность пучения до выполнения работ была 0,45 – 1,2 мм/сут и в период наблюдений сохранялась постоянной.
Упрочнение почвы взрывонагнетанием магнезиального вяжущего раствора выполнено на участке длиной 80м. В связи с интенсивной трещиноватостью вспученных пород предварительное камуфлетное взрывание не производили, после заполнения раствором шпуров и трещин взрывались заряды угленита Э-6 ( по 0,2 кг на шпур), затем взрывные полости повторно заполнялись раствором. В сечен7ии располагалось 7 – 8 шпуров глубиной 1,8 м (вертикальные) и 2,5 ( наклонные под борта). Ряды шпуров через 1 м (участок длиной 25 м), через 1,5 м (20м) и через 2 м (25м). Расход раствора на 1 м длины выработки при заполнении шпуров инъектированием составил 0,2 – 0,3 м3, при расположении рядов через 1 м – 0,5 м3, через 1,5 м – 0,27 м3 , через 2 м – 0,2 м3. для дальнейших испытаний принята плотность расположения через 1м.
За период наблюдений ( около 400 сут после выполнения работ) установлено, что скорость подъема почвы составила 0,1 – 0,25 мм/сут при расположении шпуров через 1 м; 0,3 – 0,4 мм/сут – через 1,5 м; 0,41 – 0,7 мм/сут – через 2 м. Таким образом, скорость пучения при упрочнении почвы снижается в 2,5 – 3 раза, если шпуры расположены через 1 м, и в 1,5 – 1,7 раза, если через 1,5 м. Влияние упрочнения пород не зафиксировано при шаге 2 м. Вследствие взрывных работ контур подошвы поднимается на 25 – 35 мм.
Второй опыт был осуществлен в западном магистральном откаточном штреке №1 горизонта 480 м. Выработка пройдена с пересечением пласта с8 мощностью 0,8 м, вмещающие породы представлены горизонтально-слоистым аргиллитом (15 – 21 МПа) с прослоями алевролита, в почве залегают переслаивающиеся аргиллиты и алевролиты мощностью 4,5 м, трещиноватые, прочностью 11 – 17 МПа. Средства крепления аналогичны применяемым в первом опыте. За 9 лет поддержания выработка дважды подвергалась одностороннему влиянию очистных работ. Ширина оставленного целика 175м. Выработка неоднократно перекреплялась, производилась подрывка почвы 2 раза в год на 0,8 – 1,2 м.
Для уменьшения интенсивности продолжающегося пучения выполнено совместное упрочнение пород почвы взрывонагнетанием и боков инъектированием магнезиального вяжущего раствора на участке длиной 90м. Вследствие уменьшения фактической площади сечения выработки от 12,8 до 8,5 м2 по длине участка глубина шпуров составила 3 м ( на 30 м), 2,5м (на 20м) и 1,8 м (на 20). В пределах сечения штрека бурилось 7-6-5 шпуров одинаковой длины, из них 3-2-1 вертикальных и 4 наклонных с чередованием в боках и под борта выработки. Нагнетание раствора в шпуры, пробуренные в боках, велось параллельно с заполнением шпуров в почве после взрывонагнетания. Расход раствора 0,42 – 0,58 м3 на 1 м выработки.
За 300 сут после выполнения работ установлен, что скорость пучения на контрольном участке в процессе наблюдений уменьшилась и составляет 0,5 0 0,75 мм/сут; после совместного упрочнения пород почвы и боков скорость подъема почвы при глубине шпуров 3 м составила 0,2 – 0,28, при 2,5 м – 0,1-0,2, при 1,8 – 0,3-0,4 мм/сут, при заполнении шпуров без взрывонагнетания – 0,3-0,5 мм/сут; скорость пучения пород при глубине шпуров 3 м снизилась в 2,3 – 2,7 раза, при 2,5 м – в 4,6 – 3,7 раза, при 1,8м – в 1,5 – 1,9 раза. На контрольном участке произведены две подрывки почвы на общую величину около 1,8м.
Третий опыт. Испытания способа совместного упрочнения пород почвы взрывонагнетанием и боков анкерованием при влиянии очистных работ выполнены в восточном магистральном откаточном штреке №1 горизонта 480 м. Выработка пройдена с пересечением пласта с8 мощностью 1,0 м, прочностью 25 – 31 МПа, вмещающие породы представлены алевролитом прочностью 17 – 26 МПа, горизонтально-слоистым с углистыми прослоями, в почве залегает алевролит прочностью 14 – 18 МПа, основная почва – аргиллит массивного сложения, нетрещиноватый, прочностью 22 – 27 МПа. Средства крепления аналогичны предыдущему опыту. За 10 лет поддержания выработка дважды подвергалась одностороннему влиянию очистных работ. Ширина оставленного целика 150 – 170м. Выработка неоднократно перекреплялась, производилась подрывка почвы 2 раза в год на 1 м. Начальная скорость пучения пород 0,68 – 1,9 мм/сут. Длина экспериментального участка 80 м.
Предварительно до начала работ по упрочнению почвы установлены арматурные анкеры в боках выработки (по 4-8 шт. на раму через 1м). Длина анкеров 3 м, диаметр 32 мм, закреплены они в забое шпура патронированным раствором ( по 3 – 4 химампулы на анкер), хвостовая часть парных анкеров крепилась с помощью фигурной планки и гаек к стойке крепи на высоте 0,5; 1 и 1,5 м.
Для упрочнения почвы взрывонагнетанием бурились 8 шпуров на глубину 2,5 м . При упрочнении пород опробовано уменьшение зарядов ВВ (0,07 – 0,1 кг на шпур), без заряжения вертикальных шпуров по центру выработки с заряжанием на глубину более 1,5м. Расход раствора составил 0,56 – 0,83 м3 на 1м выработки.
За период наблюдений (около 300 суток после выполнения работ) установлено: скорость пучения пород на контрольном участке увеличились до 1,7 – 4,25 мм/сут под влиянием очистных работ в лаве, остановлены через 60 суток после окончания работ по упрочнению на расстоянии 140 м; скорость подъема почвы после упрочнения 0,25 – 0,5 мм/сут ( при исходной скорости пучения до 2,5 мм) и 0,6 – 0,9 мм/сут ( при исходной более 2,5 мм); под влиянием очистных работ скорость подъема упрочненных пород увеличилась до 0,5 – 0,9 мм/сут ( в 1,5 – 2 раза); скорость пучения почвы при совместном упрочнении пород почвы взрывонагнетанием и боков анкерованием снизилось в 2,7 – 6 раз, при влиянии очистных работ – в 3 – 4,7 раза. На контрольном участке выполнено 2 подрывки почвы на общую величину 1,6 м.
Из проведенных испытаний в различных горно-геологических и горно-технических условиях была определена область применения и основные параметры способа упрочнения пород взрывонагнетанием.
Рекомендуемые показатели способа: плотность бурения шпуров не более 1 м, глубина шпуров не менее 0,75 м от ширины выработки вчерне, количество шпуров на 1 м2 почвы не менее 1, расход раствора не менее 0,1 м3 на 1 м2 поверхности выработки.
Область применения: основные и магистральные выработки со сроком службы не менее 10 лет, проведенные в условиях геомеханической устойчивости массива до 1 при прочности вмещающих пород более 14 МПа, интенсивности пучения почвы не более 2,5 мм/сут ( 75 мм/мес). Выполнение способа целесообразно не ранее, чем через 3 – 4 мес после проведения выработки, и вне зоны активного влияния очистных работ.
Способ достаточно эффективен по степени снижения скорости пучения почвы ( в 2,5 – 4,7 раза), получаемые скорости подъема контура подошвы (0,1 – 0,3 мм/сут) обеспечивают паспортное состояние почвы на 2,5 года (5лет) для откаточных магистральных выработок. Период безремонтного поддержания 6 – 8 лет.
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.
1. Опыт разработки угольных пластов и крепления горных выработок на шахтах Западного Донбасса/ Л.Ф. Зорин, В.В. Давыдов и др. – М., 1986. – 45с.
2. Пирский А.А., Стовпник С.Н., Шмиголь А.В. Технико-экономическая оценка ущерба от пучения пород на шахтах Западного Донбасса/Уголь Украины. – 1988. - №7.