CC BY
31
Ю.М. Максименко, асп., Московский государственный горный университет
ТЕХНОЛОГИЯ ОТРАБОТКИ НАРУШЕННЫХ УЧАСТКОВ С ОПЕРАТИВНЫМ УПРОЧНЕНИЕМ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД
Техническое и технологическое перевооружение подземной добычи угля в современных экономических условиях связано со значительными инвестициями, освоение которых требует существенного роста уровня использования создаваемых производственных мощностей. За последние годы достигнут значительный рост нагрузки на очистной забой на шахтах (например, в ОАО УК ''Ленинскуголь'' нагрузка возросла в среднем на 35% за 19941997гг.), что делает именно очистной забой одним из основных звеньев технологической схемы шахты, определяющим эффективность работы угледобывающего предприятия. В то же время уровень использования производственной мощности очистного забоя, который можно оценить коэффициентом машинного времени добычного комбайна, составляет 0,30,4, а соотношение технической и эксплуатационной производительности оборудования очистного забоя еще хуже.
При оснащении очистного забоя современным горнодобывающим оборудованием эффективность работы выемочного участка определяется уровнем управления геомеханическими и газодинамическими процессами в лаве. При наличии неустойчивых боковых пород, а также геологических нарушений угольных пластов и вмещающих пород технологенно-го происхождения потери добычи на таких участках составляют в среднем до 40%.Для повышения эффективности работы очистного забоя на нарушенных участках в настоящее время применяются специальные типы крепей или технология упрочнения горного массива. Опыт применения упрочнения массива в основных угледобывающих странах мира, а также отдельные экспериментальные работы в СНГ показывают,
что воздействие на породы вяжущими веществами через скважины с целью предотвращения их расслоения и повышения несущей способности обладает существенными преимуществами перед другими методами упрочнения состояния массива горных пород в очистном забое. Отработка обработанных участков производиться практически без снижения нагрузки на лаву. Недостатком способа является то, что далеко не всегда полная обработка даже установленных заранее нарушенных участков может быть произведена в ремонтную смену. Для таких работ задалживается часть времени добычных смен. Такие случаи происходят особенно часто в последнее время, когда подвигания забоя в смену достигает 4-5 м.
Изложенное свидетельствует о том, что требуется создание способов упрочнения нарушенных участков, которые бы выполнялись в ремонтную смену или в добычную без остановки очистного забоя. Для этого, прежде всего, необходимо подбирать нагнетаемые в скважины рабочие агенты, способные укрепить массив за счет обусловленных технологией добычи угля времени.
Наиболее перспективными рабочими агентами являются в настоящее время химические агенты германской компании ''Карботех''. Химические агенты представляют собой отверждающуюся в условиях горных пород двухкомпонентную систему с образованием полиуретана. Трещины и щели в нарушенных местах горных пород заполняются расширяющимся реагентом, склеиваются, в последующим крепь лавы или штрека надежно поддерживает обнаженную поверхность кровли. Заполненные и склеенные трещины и щели позволяют также изолировать горные выработки от поступающей воды и газов.
На обработанных полиуретаном участках горных пород существенно повышается безопаст-ность при ведении горных работ за счет предотвращения возникновения вывалов пород и угля, что значительно снижает травматизм в выработках.
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 являются сохранение упругости и пластичности в массиве, хорошей способностью при любых породах, что обеспечивает надежное склеивание слоев. 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 в пределах времени примерно 15 с-30 мин. Исходные компоненты смолы обладают очень низкой вязкостью, что способствует качественной обработки даже мелких трещин. Примерные характеристики исходных данных компонентов и смол, полученных фирмы ''Бергверксфербонд ГМБХ'' представлены на рисунке 1. Из графика видно, что даже после перемешивания компонентов вязкость смеси некоторое время низкая, а затем резко повышается. Это также способствует экономии смолы за счет предотвращения ее проникновения в удаленные участки массива.
Рис.1. Характеристика вязкости систем "Беведан-Беведоль" при нагнетании и отвердении:
а) зависимость вязкости компанен-тов то температуры;
б) динамика отвердения полиуретана.
Итак, двухкомпонентная система ''Беведан-Беведоль'' может быть перспективной для упрочнения углепородного массива,так как обладает следующими свойствами; низкая вязкость при закачке; увеличение объема благодаря вспениванию; хорошая способность к породам и углям даже при наличии воды; упругость и пластичность; короткое регулируемое время отвердения.
Реализация технологии упрочнения углепородного массива полиуретанами может быть осуществлена путем подачи компонентов в шпуры в виде патронов или нагнетания высоконапорными насосами.
Патронная технология применяется для упрочнения угольного массива, так как объем патронов недостаточен для связывания вмещающих пород и при этом не предотвращаются вывалы.
Нагнетательная технология реализуется путем раздельной подачи в шпур составляющих компонентов. При этом возможно применение малогабаритных насосов Н-40, Д-20 с пневмо- или гидродвигателями для работы непосредственно в лаве, или более мощного оборудования (Н-60) для подачи компонентов смолы со штрека в лаву на расстоянии до
1000 м. Применяемые настоящее время схемы нагнетания предусматривает производство работ в ремонтную или специально выделенную смену. При этом бурят скважины с таким расчетом, чтобы их длина превышала на 0,5 м. суточное подвигание забоя. Расположение скважин определяется состоянием укрепляемого массива. Скважины герметизируется специальным затвором с трубками для подачи смолы. Перемешивают компоненты в специальном смесителем, далее смола нагнетается под давлением в массив.
В зависимости от цели упрочнения массива применяют обычную систему '' Беведон-Беведаль'', систему ''быструю'' и водостойкую систему.
Обычная система ''Беведон-Беведаль'' применяется для укрепления сухого или маловлажного, слаботрещиноватого массива. Крепость вспенивателя составляет 3-5 единиц, время вступления в реакцию 4-5 минут, время отверждения 90-150 минут. Этот состав может применяться при остановленном очистном забое, при переходе крупных геологических нарушений, на сопряжениях лавы со штреком, при охране выработок.
''Быстрая'' система ''Беведон-Беведаль'' обеспечивает кратность вспенивания 2-4, время вступления в реакцию - 70-80 секунд, отвердение происходит через 15 минут. Система применена для укрепления сильно разрыхленных пород. Она обеспечивает также изоляцию источников поступления метана в выработки.
''Водостойкая'' система содержит катализатор, который практически исключает влияние, водя на химическую реакцию. Состав застывает через 55-65 секунд после вступления в реакцию, полное отвердение наступает через 10-15 минут. При этом обеспечивается гидроизоляция трещиноватого углепородного массива и укрепление водоносных зон геологических нарушений.
Исходя из возможности полиуретановых смол нами разработана технология оперативного упрочнения углепородного массива,
осуществляемая без остановки очистного забоя.
Сущность технологии представлена на рисунках 2, 3 и 4 и заключается в следующем; в лаве и на штреке монтируется специальное оборудование для производства работ.
Установка для перекачивания жидких составов на большие расстояния для двух компонентов ''Беведон-Беведаль'' производимая в действие пневмо-или гидродвигателем, располагается на штреке при упрочнении углепородного массива в лаве. В этом случае важна надежная связь между лавой и штреком. К насосам подключается гибкие высоконапорные шланги длиной по 10 метров, и наращиваются по всей длине лавы. Между шлангами устанавливаются тройники для подключения в любом месте лавы шлангов для проведения оперативного упрочнения массива. Для герметизации используются специальные герметизаторы устья скважин. Трубы-удлинители, обеспечивающие возможность выбирать участком нагнетанием по длине скважины. Для перемещения смолы и отвердителя применяет смесительный элемент, изготовленный из пластмассы и вводимый в трубки, по которым подается состав в скважину. В устье скважины также вставляется специальный смеситель для компонентов.
Работы по оперативному упрочнению пород ведутся по следующей схеме. В начале в подлежащей упрочнению зоне пород бурят скважины, затем продувают или чистят их. В устье скважины устанавливают в сборе смеситель и герметезатор с удлиненными трубками, в которых находится смесительный элемент. К смесителю подключают шланги и дают команду по селекторной связи лавы для нагнетания. Нагнетают определенное количество смолы и дают команду остановить двигатель установки, затем следующие скважины упрочняют по той же схеме. После проведения работ по упрочнению обязательно промывают насос водой и, став шланг, продувают сжатым воздухом или
Рис.5. Процессы химического упрочнения массива
промывают водой, слитую смолу помещают обратно в накопительные резервуары установки и закрывают герметично крышкой.
Из представленной планограммы работ в очистном забое видно, что работы по химическому упрочнению массива полностью совмещены с основными процессами по добыче угля и не
уменьшают коэффициента машинного времени выемочной машины.
Реализация оперативного химического упрочнения углепородного массива включает подготовку специалистов, анализ состояния массивом, разработку паспортов на производство работ, монтаж оборудования, как на штреке, так
и в лаве, а также соответственно производство нагнетания компонентов системы и визуальный контроль за ходом процесса нагнетания.
Эффективность работ оценивается по снижению потерь времени по добыче угля в лаве, обработанной системой ''Беведон-Беведаль''.
© Ю.М. Максименко
