CC BY
48
© Н.Н. Красюк, Ю.М. Максименко, С.Е. Решетов, Н.В. Занкин, 2003
УАК 622.33:622.324
Н.Н. Красюк, Ю.М. Максименко, С.Е. Решетов, Н.В. Занкин
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗОЛИРОВАНИЯ ОТРАБОТАННЫХ УЧАСТКОВ ЗАКРЫВАЕМЫХ ШАХТ ОТ ЛЕЙСТВУЮШИХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Ликвидация негативных экологических последствий закрытия нерентабельных шахт является важной проблемой реструктуризации шахтного фонда России.
Известно, что при закрытии шахт (или отдельных участков) загрязнение действующих выработок и внешней атмосферы происходит, в основном, за счет поступления воды и газа через проницаемые изолирующие перемычки. Следовательно, проблема предотвращения газовыде-ления и водопритоков из отработанных участков и шахтных полей закрываемых шахт в действующие выработки, внешнюю атмосферу и земную поверхность требует детальной проработки с использованием современных методов и технологий.
Места возведения изолирующих перемычек характеризуется повышенной трещиноватостью бортов выработки, что сопровождается увеличением водо-, газопроницаемости горного массива. Одновременно, имеются трудности в возведении самих перемычек, обладающих достаточно низкой проницаемостью.
Эффективное решение проблемы предотвращения поступления загрязненной воды и газа через перемычки и проницаемые борта выработок потребовало комплексного решения. Основная трудность заключается в том, что необходимо снизить проницаемость как массива, так и материала изолирующих перемычек для воды и для газа.
Предлагаемые решения базируются на имеющемся опыте использования полиуретановых смол, обеспечивающих заполнение трещин и пор, а также связывание изолирующего материа-
ла перемычек как в обводненном массиве, так и достаточно сухом.
Работы выполнены для условий ликвидируемой шахты им. Ярославского ОАО «УК «Кузбассуголь»
Анализ схемы горных выработок шахты им. Ярославского на начало ликвидационных работ показывает, что даже в районе одной перемычки влажность массива изменяется на порядок. Для снижения проницаемости массива в бортах выработки в этих условиях предложено применение химических составов по технологии фирмы «СагЬо ТесЬ» (Германия).
Сущность технологии заключается в нагнетании в трещиноватый массив и материал перемычки двухкомпонентного состава с регулируемым временем отверждения в зависимости от обводненности обрабатываемого материала и его температуры. Время отверждения может изменяться в пределах 15 с - 60 мин. Работы выполняются переносным оборудованием 2-3 рабочими.
Выполненные расчеты изолирующих перемычек на прочность и водо-, газопроницаемость согласованы с «Руководством по изоляции отработанных участков, временно оставленных и неиспользуемых горных выработок в шахтах». Расчеты показали, что толщина перемычек из условий напора шахтных вод и снижения газопроницаемости в 10-15 раз должна быть не менее 3 м из материала бетона.
При врубе перемычки по контуру выработки не менее 600 мм водо-, газопроницаемость нарушенного горного массива остается достаточно высокой.
Сущность предлагаемых технологических решений заключается в выборе рационального со-
четания компонентов нагнетаемых растворов по технологии фирмы «СагЬо ТесЬ», обеспечивающего регулирование времени отверждения смолы в массиве с учетом водопритока. При этом существенно снижается расход вяжущего материала, а, соответственно, и стоимость работ по изолированию загрязненных участков закрываемой шахты от действующих выработок.
Опыт работы на шахте «Октябрьская» позволил разработать технологию оперативной обработки трещиноватого горного массива с использованием материалов и оборудования фирмы «СагЬо ТесЬ».
Технология позволяет осуществить водо и газорегулирование между выработками закрываемой шахты им. Ярославского и шахты «Егозовская». Учитывая то, что это первый опыт изолирования выработок закрываемой шахты от выработок действующей шахты с использованием полиуретановых смол, приведены подробные сведения о предлагаемой технологии, используемых материалах и оборудовании, а также основные сведения о процессах, протекаемых в массиве при нагнетании в него двухкомпонентного состава. Этот подход является правомерным, так как позволит в дальнейшем распространить опыт шахты им. Ярославского в других горногеологических и горнотехнических условиях.
Предыдущим опытом работы, а также расчетами доказано, что созданные по предложенной технологии перемычки выдержат напор воды порядка 8090 атм. и снизят газопроницаемость сопряжения действующей и ликвидируемой выработки в 10-15 раз. Эти показатели соответствуют требованиям к
изолирующим перемычкам в горно-геологических условиях шахты им. Ярославского.
Участки Егозовский-5, Его-зовский Глубокий и поле шахты им. Ярославского входят в состав Егозово-Красноярского месторождения, располагаясь в наиболее изученной центральной его части.
Участок Егозовский-5 включает те же пласты угля, что и основное шахтное поле, являясь естественным продолжением его по простиранию на северо-запад до У1 разведочной линии.
Площадь участка Егозовского Г лубокого представляет собой нижние горизонты поля шахты им. Ярославского и участка Его-зовского-5. Граница участка на глубину определяется замыканием пласта Байкаимского-Меренковского.
Условия отработки угольных пластов следует считать простыми. Притоки воды в горные выработки составляют 350-520 м3/час при сохранении достигнутой производительности.
Сброс шахтных и сточных вод после предварительной очистки производится в реку Иня.
В настоящее время шахта им. Ярославского относится к Ш категории по метану. При переходе на нижние горизонты ее можно отнести к сверхкатегорийной, т.к. по фактическому материалу метаноносность угольных пластов ниже горизонта - 100 м достигает 15-16 м3/т.
По шахте наблюдается обратная зависимость между максимальными притоками воды в горные выработки и максимальной относительной метано-обильностью.
В настоящее время практически отсутствует опыт герметизации нарушенного горного массива и материалов изолирующих перемычек, поэтому выполнен анализ существующих и перспективных технологий в этом направлении.
Изолирование водо-, газопроницаемых горных массивов, находящихся в зоне действующих и погашенных выработок, достигается путем снижения проницаемости массива за счет его обработки различными вяжущими материалами.
В зонах возведения водо-, газонепроницаемых перемычек горный массив на бортах выработок сильно нарушен, поэтому необходимо укрепление, как нарушенного массива, так и самих перемычек.
Этот процесс достигается укреплением этих нарушенных уча-
стков вяжущими веществами.
В отечественной и зарубежной практике при укреплении горных пород применяются такие способы, как цементация, силикатизация, замораживание, глинизация, битумизация, торкретирование, электрохимический и термический способы укрепления горных пород. В отдельных случаях находит применение способ укрепления пород растворами синтетических смол.
Наиболее перспективными рабочими агентами являются в настоящее время химические агенты германской компании «Carbo Tech». Химические агенты представляют собой отверждающуюся в условиях горных пород двухкомпонентную систему с образованием полиуретана. Трещины и щели в обрабатываемой зоне заполняются вспенивываю-щимся реагентом, склеиваются, в последующем надежно поддерживают обнаженную поверхность горных пород. Заполненные и склеенные трещины и щели позволяют также изолировать горные выработки от поступающей воды и газа.
Составляющие двухкомпонентной системы «Беведан-Беведоль» характеризуются
крайне низким давлением пара и не опасны для обслуживающего персонала при вдыхании. Точка воспламенения обеих составляющих превышает 200 °С.
В зависимости от исходных компонентов можно изготовить полиуретан с различными свойствами, отвечающими горно-
геологическим условиям горного массива и решаемым задачам упрочнения массива.
Отличительной особенностью полиуретана является сохранение упругости и пластичности в массиве, хорошей адгезидной способности при любых горногеологических условиях, что обеспечивает надежное склеивание слоев пород в монолит.
Эффект вспенивания полиуретана обеспечивает надежное заполнение трещин и щелей, а также существенно снижает расходы на смолу пропорционально кратности вспенивания. Достижение необходимых свойств полиуретана в массиве в зависимости от цели работ происходит в пределах времени, примерно 15 с
- 30 мин. Исходные компоненты смолы обладают очень низкой вязкостью, что способствует качественной обработке даже мелких трещин.
Двухкомпонентная система «Беведан-Беведол» может быть перспективной для упрочнения горного массива, так как обладает следующими свойствами:
• низкая вязкость при закачке;
• увеличение объема благодаря вспениванию;
• хорошая адгезионная способность к породам и углям даже при наличии воды;
• упругость и пластичность;
• регулируемое время отвердения.
Для укрепления пород горного массива с целью снижения его проницаемости, нагнетание рас-
твора в массив может осуществляться через скважины, пробуренные из горных выработок. Оборудование для нагнетания раствора располагается вблизи места укрепления горного массива.
При рассмотрении вопроса о
расположении шпуров и скважин по отношению к инъек-тируемым трещинам, исходят из того, что в расматри-ваемых горно-
геологических условиях породы неустойчивых кровель зачастую представлены слоистыми породами. При наклонном расположении шпуров, пробуренных из горной выработки, ими пересекается максимальное число трещин. При таком расположении шпуров по отношению к слоистости пород насыщение массива происходит достаточно интенсивно.
Для упрочнения пород методом нагнетания принимается два типа установок: переносная,
и стационарная для перекачки жидкостей под давлением на расстояния до 1000 м, располагаемая на штреке.
Разработаны также специальный герметизатор устья скважины. Удерживание его в скважине происходит за счет распорных манжетов, а уплотнение - за счет отрезка шланга. Герметизатор такой конструкции позволяют
Рис. 2. Схема расположения основных выработок и возведение защитных водо-, газонепроницаемых перемычек в горных выработках
избежать потерь нагнетаемого состава. Трубы-удлинители
обеспечивают возможность выбирать участок нагнетания по длине скважины.
Следует подчеркнуть, что для получения оптимального качества отвердевшей смолы необходимо хорошее перемешивание компонентов перед их нагнетанием в породный массив. Для этой цели служат специальные смесительные элементы, изготавливаемые из пластмассы и вводимые в трубки, по которым состав подается в скважины. Работы по упрочнению массива ведутся в соответствии с паспортом.
Технологическая схема нагнетания составов в водо-, газопроницаемый массив показана на рис. 1.
С учетом фактического состояния горных работ предусматриваются следующие основные технические решения по водогазо-регулированию, обеспечивающие безопасность ведения горных работ на шахте «Егозовская» после ликвидации шахты им. Ярославского, представленые на рис. 2.
Расчеты перемычек на прочность и водонепроницаемость, конструкция и технология возведения водоупорных перемычек приняты в соответствии с "Руководством по изоляции отработанных участков, временно оставленных и неиспользуемых горных выработок в шахтах".
Толщина перемычек рассчитана, исходя из условия подтопления шахты им Ярославского после ее ликвидации.
В соответствии с расчетами толщина перемычек принята 0.5 м. Конструктивно эти перемычки выполняются с врубом по контуру выработки в проходке, глубиной 1000 мм.
Возведение перемычек принято из шлакоблоков.
Для контроля давления воды в перемычку во время возведения укладывается труба диаметром 46 мм. Со стороны действующей выработки отверстие трубы заваривается заглушкой. Перед заглушкой устанавливается (врезается)
манометр с вентилем на гидростатическое давление до 16 МПа.
В целях гарантированного обеспечения герметичности перемычек и окружающего их массива горных пород, что обеспечит надежную изоляцию горных работ шахты им. Ярославского после ее ликвидации от шахты «Егозовская», предусматривается химическое упрочнение горных пород и собственно тела перемычек с использованием технологии, материалов и оборудования фирмы «Карботех» на основе полиуретановых смол Беве-
дол-Беведан.
Конструкция перемычки приведена на рис. 3.
Нагнетание вяжущего раствора предлагается по разработанной технологии оперативной обработки горного массива полиуретановыми смолами.
В результате исследований установлено, что существующие на шахте изолирующие перемычки по конструкции и параметрам не соответствуют требованиям эффективного водо-, газо регулирования между шах-
тами им. Ярославского и «Егозовская». Необходимо выполнение химического упрочнения законтурного пространства и материалов перемычек полиуретановыми смолами по предлагаемой технологии.
Для проведения работ нами разработана необходимая проектная документация. Результаты работы будут изложены в последующих публикациях.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------------------------------------------------------
Красюк Николай Николаевич - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет. Максименко Юрий Михайлович- доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет. Решетов Сергей Ефимович- кандидат технических наук, ОАО «УК «Кузбассуголь».
Занкин Николай Васильевич - кандидат технических наук, ОАО «УК «Кузбассуголь».
© Ю.М. Левкин, 2003
УАК 622э28:693.625.002.5
Ю.М. Левкин
ВТОРИЧНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПОАЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Іаз'витие промышленного производства уменьшает запасы нефти, газа и предопределяет увеличение добычи угля, развитие атомной энергетики, использование в качестве топлива горючие отходы городов и населенных пунктов. Так в США, стране с теплым климатом, объем добычи угля в 1960 г. составлял 370 млн т., в 1995 г. - 1 млрд т.. В Южно - Африканской Республике угледобыча возросла со 140 млн т. в 1980 г. до 230 млн т. в 1995 г. После обогащения более 70% угля ЮАР используется внутри страны на энергетические нужды, а также для производства жидкого топлива и бытового газа. Китайская Народная Республика с 1980 по 1995 гг. увеличила добычу угля с 620,1 млн т. до 1298 млн т. Работающие угольные предприятия стран ЕС
получают субсидии от государства. Так, например, в 1993 г. на 1 т угля было выделено субсидий: в Германии - 69,5 экю, в Португалии
- 29,1 экю, во Франции - 21,5 экю. Страны ЕС, закрывая угольные предприятия, принимают все необходимые меры социальной защиты бывших горняков. [1].
В России, одной из самых больших по площади и холодных стран планеты, в 1960 г. было добыто угля: 373 млн т, в 1985 г. более 1 млрд т, в 1995 году угледобыча составила 145,8 млн. т. [1], а в 2001 г. более 270 млн т [2]. Уволенные горняки социально не защищены, а работающие не всегда получают своевременно зарплату.
Большие объемы добычи угля оставляют миллионы квадратных метров выработок не участвующих в добычном цикле. Лишь неболь-
шая часть этих выработок эксплуатируется вторично под склады, выращивания сельхозпродукции и другие направления. В тоже самое время существует проблема захоронения отходов жизнедеятельности человека, в том числе и нетоксичных. Объем отходов производства и всевозможной деятельности человека в мире вырос в настоящее время по сравнению с 1970 г. в 2,7 раза. Ежегодно в атмосферу выбрасывается 200 млн т оксида углерода, 150 млн т диоксида серы, 50 млн т. оксидов азота (в основном N02), более 50 млн т различных углеводородов и 20 млрд т СО2.. В России суммарное количество выбросов вредных веществ в атмосферу от промышленных предприятий в 1991 г. составило около 32 млн т.. Из них, диоксида серы 9,2 млн т, оксида азота около 3 млн т, оксида углерода 7,6 млн т, углеводородов 3,5 млн т, летучих органических соединений 1,7 млн т., твердых веществ 6,4 млн т. В выбросах содержится около 2% высокотоксичных вредных веществ: фтористые соединения, сероуглерод, сероводород и другие [3].
