CC BY
113
© С.С. Золотых, Н.Н. Красюк, Ю.М. Максименко, 2003
УДК 622.28.
С.С. Золотых, Н.Н. Красюк, Ю.М. Максименко
ТЕХНОЛОГИЯ ОТРАБОТКИ НАРУШЕННЫХ УЧАСТКАХ ВЫЕМОЧНЫХ ПОЛЕЙ С ОПЕРАТИВНЫМ ХИМИЧЕСКИМ УПРОЧНЕНИЕМ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА
Анализ особенностей горно-геологических условий Кузбасса показал, что одним из основных факторов, ограничивающих интенсивность и снижающих уровень безопасности горных работ являются различные нарушения углепородного массива в пределах выемочного поля, повышенная газоносность и водопритоки в зону горных работ, неустойчивость угольных целиков различного назначения. Указанные факторы существенно снижают эффективность применения высокопроизводительного горношахтного оборудования с повышенным ресурсом, требующего также резкого увеличения геометрических размеров выемочных полей. В условиях высокой концентрации горных работ на шахтах задалживание рабочих смен по добыче на профилактические мероприятия по обеспечению горных работ приводит к существенному снижению технико-экономических показателей добычи угля. Опыт отработки выемочных участков на шахтах им. Кирова, «Чертинская», им. 7-Ноября АОА «Угольной компании «Кузбассуголь» и др. показал, что потери добычи угля при переходе очистным механизированным комплексом нарушенных участков достигает 45% от плановых нагрузок на очистной забой. Причиной этого является, прежде всего, неустойчивость вмещающих пород в зоне нарушения, а также увеличение водопри-токов и газовыделения.
На шахте им. Кирова филиала «Ленинскуголь» АОА «Угольной компании «Кузбассуголь» при отработки лавы 25-85 очистным механизированным комплексом «Джой» возникли существенные трудности с управлением кровлей из-за нарушенности угольного массива в пределах выемочного поля. Условия отработки лавы следующие.
Лава № 25-85 подготовлена в поле блока № 1 Западной прирезки. Границами участка являются: по простиранию -от целика под фланговый уклон до целика под квершлаг № 1; по падению от вентиляционного штрека до конвейерного № 25-85.
Глубина отработки составляет 130-190 м, угол падения пласта - 7-12о.
Средняя мощность пласта 1.65 м и колеблется в пределах 1.50-1.8 м.
В лаве прослежены 4 полосы утонения пласта с мощностью до 0.6 м. Пласт угля представлен блестящими линотипами витринита с основной системой трещиноватости, расположенной к конвейерному штреку под углом 30о с углом падения 70-80о.
Коэффициент крепости угля ^=1/5-2/0). «Ложная» кровля 0.05-0.2 м. распространена повсеместно.
Для улучшения состояния кровли на нарушенном участке осуществлялось химическое упрочнение пород двухкомпонентным составом на базе полиуретановых смол. На данном участке применяется технология и материалы германской компании «Карботех». В зависимости от горногеологических условий и решаемых задач управления состоянием углепородного массива применяетесь три варианта химических составов для нагнетания в массив.
"Обычная система": Беведол
МБеведан, Беведол / Беведан.
В зависимости от температуры кратность вспенивания этой смеси от 3 до 5. При температуре 25 °С время до вступления в реакцию составляет от 4 до 5 минут, время реакции от 25 до 35 мин, время отвердения - 90-150 мин. Для температуры массива ниже 20 °С имеются "ускоренные'' компоненты под названием Беведол №К.
Состав Беведол МБеведан применяется для укрепления пород в сухом или маловлажном слабо разрыхленном массиве в следующих случаях:
• укрепление массива на сопряжении лавы со штреком;
• укрепление массива в зонах геологических нарушений в лавах и штреках для управления слоями в поле больших тектонических напряжений;
• упрочнение разрушенных слоев кровли для создания условий их дальнейшего поддержания крепью в лаве, что избавит от предварительной выемки угля вручную;
• охрана коренных штреков.
«Быстрая система»: Беведол АS/Беведан, Беведол
S/Беведан.
Таблица 1
ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ЛАВЫ №25-85
Показатели Месяцы 1998 г.
I II III IV V VI VII
Средне месячная добыча, т 18675 71110 185690 171260 170990 136215 112317
Средне суточная добыча, т 1334 3743 6803 6343 6247 4700 3873
Максимальная суточная добыча, т 4000 5558 8000 8000 9500 9240 8500
Отработано дней 14 19 27 27 28 29 29
Подвигание забоя, м. 26 96 257 234 246 190 156
Производительность, т/мес. 231 902 2476 2314 2375 1831 1411
В зависимости от температуры кратность вспенивания колеблется от 2 до 4. При 25 °С время до вступления в реакцию составляет от 70 до 80 с. Через 20-30 с. после этого истекает время реакции и в течение примерно 15 мин заканчивается и отвердение. Так же применяют Беведол AS.
Эти системы были созданы главным образом для укрепления зон сильно разрыхленных горных пород. Протекающая с большой скоростью реакция обеспечивает настолько быстрое закрытие более крупных трещин и щелей полиуретаном, что исключает перетекание и выход смолы. Кроме того, вскоре после введения полиуретана в горный массив можно произвести повторное нагнетание смолы. Состав оказался эффективным при применении его на выемочных участках, где требовалось повторное использование подготовительных выработок. Смесь дала хорошие результаты при укреплении горных пород и в зонах геологических нарушений, а также при газоизоляции.
"Водостойкая система": Беведол WF/Беведан, Беведол WF-A, Беведан.
Так как эти полиолы не содержат воду, они не вспениваются при реакции с Беведаном. При температуре 25 °С состав, содержащий Беведол WF, застывает через 55-65 с после вступления в реакцию: отвердение наступает через 10-15 мин. При тех же условия реакция с Беведол WF-A протекает еще быстрее, т.е. в течение 18 с. Отвердение завершается через 10 мин.
Эти системы содержат катализатор, который преимущественно влияет на реакцию полиола с изоциатаном, благодаря чему значительно снижается влияние воды на образование полиуретана. Состав обеспечивает водоизоляцию породного массива, а также укрепление водоносных зон геологических нарушений. При более низких температурах, т.е. ниже 15-17 °С, рекомендуется применять более активный компонент Беведол WF-A. Эти системы содержат катализатор, который существенно влияет на реакцию полиола с изоциатаном, благодаря чему значительно снижается влияние воды на образование полиуретана. Состав обеспечивает водоизоляцию породного массива, а также укрепление водоносных зон геологических нарушений. При более низких температурах, т.е. ниже 15-17 °С, рекомендуется применять более активный компонент Беведол WF-A.
Несмотря на применения дорогостоящей технологии упрочнения горного массива, показатели работы на нарушенных участках были существенно ниже, чем в нарушен-
Рис. 1. Зависимость вязкости рабочего агента и времени отвердения от исходных компонентов и их температуры
ных зонах. Обобщение показателей работы лавы 25-85 при приведены в табл. 1. Рекомендуемые химические составы для обработки нарушенных участков выемочных полей допускают регулирования времени отвердения состава в массиве (от минуты до часов). Например, на графике рис. 1, показана зависимость вязкости рабочего агента и времени его отвердения в массиве от типа компонентов и их температуры.
На базе испытанной на ш. им. Кирова технологии и с учётом данных рис. 1., нами разработана технология оперативного химического упрочнения углепородного массива, обеспечивающая отработку нарушенных участков практически без потерь добычи из-за остановки очистного оборудования при выполнении профилактических мероприятий. Технология базируется на принципе интегрирования работ по обработке углепородного массива на нарушенном участке в производственный цикл в очистном забое без существенного изменения последнего по сравнению с работой на ненарушенных участках. При этом работа выемочной машины, передвижка забойного конвейера и секций крепи и работы по химическому упрочнению массива должны быть разделены в пространстве очистного забоя по его длине для исключения сдерживающего влияния друг на друга.
При нагнетательном способе используют три указанные выше системы компонентов, которые обеспечивают возможность упрочнения пород практически во всех случаях. В качестве первого компонента во всех системах используется полиизоциатин (беведан), а вторым компонентом служит
VIII IX X XI
112054 77732 69700 138500
3864 4572 2250 4610
6400 7360 7370 7460
29 17 31 30
160 114 96 237
1452 1168 963 1820
беведол N беведол S, беведол WF.
Во всех системах оба компонента вступают в реакцию в объемном соотношении 1:1.
Для упрочнения пород методом нагнетания используются два типа установок: малогабаритная, переносная и стационарная для перекачки жидкостей под давлением на расстояния до 1000 метров и располагаемую в удобном месте на штреке. Трубы-удлинители обеспечивают возможность выбирать участок нагнетания по длине скважины.
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 со специальным паспортом.
Технологическая схема оперативного химического упрочнения нарушенного участка выемочного поля показана на рис. 2.
Технологическая схема включает следующие элементы:
• двухкомпонентная нагнетательная установка;
• всасывающий трубопровод;
• высоконапорные трубопроводы с тройниками на всю длину лавы;
• расходные емкости;
• сливные емкости;
• комплект герметизирующего оборудования (герметизатор устья скважины, смеситель, смешивающий элемент, удлинитель);
• двухсторонняя связь по лаве.
Последовательность работ по оперативному химическо-
му упрочнению углепородного массива заключается в следующем: на штреке устанавливается двухкомпонентная нагнетательная установка с емкостями, от нее по всей длине лавы прокладывается два трубопровода, имеются тройники для подключения к ним отводов. Организовывается двухсторонняя громкоговорящая связь лавы с нагнетательной установкой. Шланги уложены в отсек для кабелей. На штреке имеется запас различных смол с регулируемым временем отвердения в массиве. В емкостях встроены нагревательные элементы и комплект аппаратуры, контролирующей температуру смол.
Работы по оперативному химическому упрочнению углепородного массива ведутся в строго регламентируемом порядке, сущность которого состоит в следующем: подлежащую упрочнению зону осматривают и принимают решение об основных технологических мероприятиях. После осмотра и принятия решения (сколько бурить скважин, на каком расстоянии, выбор смолы и измерение температуры вмещающих пород) начинают бурение скважин и по мере достижения необходимой глубины очищают их от буровой мелочи сжатым воздухом из пневмосверла. В устье скважины устанавливают в сборе герметизатор, смесительный элемент и удлинитель (по необходимости). К смесителю по отдельности подключают два высоконапорных шланга со смолами и отвердителем.
После обуривания и установки оборудования в скважине (по отдельности в каждую) начинают нагнетать полиуретановый состав. Закончив нагнетание, буровое оборудование убирается в безопасное место, предварительно очищенное от смол. В это же время визуально проводят контроль за упрочненным массивом. После окончания всех этих работ смолу желательно слить из высоконапорных шлангов в сливные емкости, установленные на вентиляционном штреке. Эту смолу необходимо поместить в расходную емкость возле нагнетательной установки. Эта операция выполняется для экономии полиуретановой смолы. Она может и не выполняться, если работы по упрочнению ведутся интенсивно и часто. Отработка нарушенных участков осуществляется в соответствии с планограммой работ, приведенной на рис. 3.
Плановая обработка массива ведётся в ремонтную смену на необходимую глубину обработки, не превышающую 3 м. В добычную смену работы ведутся по следующей схеме. Работая по отбивке угля, комбайнер и помощник следят за
состоянием массива. При появление факторов, отрицательно влияющих на работу комбайна, машинист по громкоговорящей связи
вызывает специально
обученных рабочих, а сам продолжает двигаться в сторону вентиляционного штрека. Пока комбайн работает, рабочие осматривают место упрочнения и принимают решения о параметрах обработки. Когда комбайн дошел до верхнего сопряжения, комбайнер и его помощник производят технический осмотр комбайна, мелкий ремонт и замену вышедших из строя де-
Рис. 2. Принципиальная технологическая схема химического упрочнения углеродного массива: 1 - емкость со смолами Беведан N 8, WF и отвердитель Безедол; 2 - нагревательные элементы; 3 - сливные емкости для каждой смолы; 4, 5 - высоконапорные трубопроводы; 6 - нагнетательная установка, двухкомпонентная; 7 - всасывающие
талей. В это же время рабочие по упрочнению горного массива начинают работы по бурению, герметизации и нагнетанию смолы в ослабленной зоне. Когда эти работы закончены, комбайн перегоняют в нижнюю нишу и продолжают добычные работы. За время пока комбайн подойдет к упрочненной зоне, смола должна полностью отвердеть и склеить массив. Следующий цикл упрочнения массива производят по мере необходимости. Весь цикл упрочнения не взаимосвязан с работами по добыче угля. Работы ведутся без остановки основного процесса добычи на длительный период времени.
Функционирование технологии отработки нарушенных участков с оперативным упрочнением массива заключается в максимальном совмещении во времени работ непосредственно по добыче угля и работ по упрочнению массива. Эта цель может быть достигнута при условии выполнения цикла работ по химическому упрочнению в ремонтную смену или в периоды времени, отведенные для выполнения подготовительно-заключительных операций или других плановых перерывов.
Выполнение этих условий связано, прежде всего, с регулированием времени выполнения профилактических мероприятий, их совмещения во времени и пространстве с работами по добыче угля в соответствии с требованиями правил безопасности. Исходя из этих предпосылок нами разработана методика определения дополнительных параметров технологии отработки нарушенных участков с оперативным химическим упрочнением массива. Расчётная схема представлена на рис. 4.
Исходя из области применения технологии (пологие угольные пласты средней мощности), плановые нагрузки на очистной забой составляют от 3 до 7 тыс. т./сут., что соответствует подвиганию очистного забоя от 5 до 12 м/сут. Исходя, из возможностей технологии химического упрочнения массива рациональная длина шпуров не превышает 3 м. Этот параметр ограничен также требованием нахождения зоны обработки позади зоны максимума опорного давления. В противном случае будет затруднен процесс бурения и нагнетания, а также массив снова будет разрушен при проходе
волны опорного давления через обработанную зону. Следовательно, для того, чтобы обработать горный массив, в ремонтную смену на величину суточного подвигания лавы ^оч.сут.) необходимо выполнить следующие условия:
Гоп ^ Lоч.сут.
где гоп - протяженность зоны опорного давления, м.
На практике для рассматриваемых условий Гоп равно 6-7 м, поэтому не существует даже теоретической возможности перейти нарушенный участок без снижения нагрузки на очистной забой. Работы по оперативному химическому упрочнению горного массива, совмещены во времени с плановыми перерывами в работе очистного забоя. Важным является выполнение требований техники безопасности при совмещении в пространстве очистного забоя работ по добыче Рис. 4. Расчётная схема для определения параметров технологии: 1оч - длина лавы, м; 1очв, I очн - длина верхней и нижней части лавы относительно нарушения, м; 1нар - протяженность нарушения, м; Ьнар - зона влияния нарушения, м; а - угол встречи лавы с нарушением, град; готж- глубина зоны отжима угля, м; Lнар - подвигание лавы на нарушенном участке, м
угля и химической обработке массива.
Время на химическое упрочнение массива в соответствии со схемой, рис. 4, может быть представлена в виде:
Тобр. = Тбур+Тгерм+Тпод+Тнаг+Тотв. или (1)
Тобр ^бур.^шп. + їгерм^шп. + $под^шп. + ^наг.^шп. + Тоте. где їбур, ггерм, Ґпод, Ъаг. - соответственно, время, за трачиваемое на бурение, герметизацию, подключение к магистрали, нагнетание смолы в один шпур, мин; Мшп - необходимое количество шпуров в забое; Тоте - время отвердевания смолы в последнем шпуре.
Исходя из принятой организации работ в очистном забое, а также технологии производства химического упрочнения горного массива, производство профилактических работ может быть осуществлено в периоды выполнения концевых операций в лаве, или перегона комбайна по лаве на участке ниже нарушения (1оч.н.), рис. 4, т.е.
Т»бР< ікон + ^ (2)
В зависимости (1) возможно регулирование параметра Тобр за счет:
• изменения протяженности участка нарушения, а, следовательно, числа шпуров;
• изменение типа применяемых смол, имеющих различное время отвердевания;
• изменение температуры исходных компонент смолы, регулирующей время отвердевания.
В принципе возможно изменение параметра 1оч.н. за счет изменения общей длины лавы, но на практике нарушение пересекает весь выемочный участок, следовательно, нарушенная зона перемещается по лаве.
Итак, при оперативном упрочнении горного массива на нарушенном участке выемочного столба для соблюдения условия совмещения во времени работ по добыче угля и обработке массива возможно регулирование следующих параметров:
Рис. 3. Планограмма работ в очистном забое
• глубины зоны отжима угля (готж) за счет выбора соответствующего режима работы механизированной крепи. Этот параметр определяет длину шпура, а соответственно и время бурения ^бур)
• угла встречи нарушения с линией очистного забоя (а). Этот параметр в сочетании с размером зоны влияния нарушения определяет протяженность нарушенного участка, а соответственно и необходимое количество шпуров.
1оч 1оч.в+1оч.н + 1нар (3)
Наиболее благоприятные условия для полного совмещения в очистном забое работ по добыче угля и химического упрочнения массива создаются при угле встречи с нарушением, близким к 90°, и расположении нарушенного участка в верхней части лавы. Но при этом время работы очистного забоя в нарушенной зоне существенно возрастает, что может привести при незначительном снижении интенсивности добычи (ДА) к большим общим потерям добычи (ДД) на участке:
ДД = ДА • Ср (4)
где ^ар - период работы на нарушенном участке.
Снижение интенсивности добычи угля и общих потерь добычи зависят от параметров самого нарушения. При этом, как показал опыт, при качественно выполненном упрочнении горного массива в соответствии с паспортом, интенсивность горных работ на участке практически не снижается. Нами выполнен расчёт о основных параметров технологии для месторождений Центрального Кузбасса, табл. 2.
Предложенная технология включена в паспорт на отработку выемочного участка с различными нарушениями на шахтах им. Кирова, «Комсомолец», «Октябрьская» АОА «Угольной компании «Кузбассуголь».
Разработаны практические рекомендации по химическому упрочнению целиков угля в целях изолирования источников газовыделения и водопритоков в действующие выработки, изолирования старых выработанных пространств с целью создания подземных аккумуляторов метана для промышленного использовании, укрепления противопожарных целиков.
Таблица 2
ПАРАМЕТРЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К УСЛОВИЯМ КУЗБАССА
Параметры Единицы измерения Значение
длина лавы м 150
зона влияния нарушения м 9
скорость подвигания забоя м/сут. 5.5
угол встречи лавы с линией нарушения град. 30
протяженность нарушения по лаве м 22
нагрузка на забой на нарушенном участке т/сут 2552
время отработки нарушенного участка месяцев 5
расстояние между скважинами м 3
количество одновременно обрабатываемых скважин скважин 7
объем закачки в одну скважину литры 50
давление нагнетания МПа 18
