ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ПЯТАЧЕНКО Анатолій Архипович

УДК 624.138.4:

622. 112.3 :556. 332.4

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ТЕХНОЛОГІЇ

ФІЗИКО-ХІМІЧНОГО ЗМІЦНЕННЯ ПОКРІВЛІ НА ПРОТЯЖНИХ ДІЛЯНКАХ ЛАВ ПОЛОГИХ ПЛАСТІВ ДОНБАСУ

Спеціальність: 05.15.02

"Підземна розробка родовищ корисних копалин"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донбаському гірничо-металургійному інституті (ДГМІ) Міністерства освіти та науки України, м. Алчевськ

Науковий керівник

доктор технічних наук, доц.

Клішин Микола Кузьмич,

проф. кафедри "Розробка пластових

родовищ" Донбаського гірничо-

металургійного інституту

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Бондаренко Юрій Васильович, декан ФГТУ, завідувач кафедри управління виробництвом Донецького державного технічного університету

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Дубов Євген Дмитрович, зам. директора Донецького науково-дослідного вугільного інституту

Провідна установа

Інститут геотехнічної механіки НАН України, відділ механіки гірничих порід

(м. Дніпропетрівськ)

Захист відбудеться "20" квітня 2001 року о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.05 Донецького державного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 1-й навчальний корпус, ауд. 201.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького державного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2-й навчальний корпус.

Автореферат розісланий "16" березня 2001 р.

Учений секретар спеціалізованої

вченої ради, доктор техн. наук, проф. Шевцов М.Р.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Стабільність роботи лав у складних гірничо-геологічних умовах в основному залежить від стійкості покрівлі. Вивали порід із покрівлі вугільних пластів відбуваються у 30,0 % лав Донбасу. При цьому на 30-40 % знижується видобування вугілля та продуктивність праці робітників очисного вибою, в 1,5-2,0 рази збільшується собівартість 1 т вугілля та на 2-4 % зольність.

Для запобігання вивалів породи застосовується завчасне зміцнення покрівлі нагнітанням скріпляючих складів та анкеруванням. Рівень технології фізико-хімічного зміцнення гірничих порід, об'єми й ефективність її застосування, що досягли у середині 80-х свого піка в Донбасі, недостатньо відповідали вимогам виробництва: зміцнення застосовувалося менше чим у 30% лав із нестійкими покрівлями; використовувалися дорогі поліуретанові склади; велика витрата скріплюючих складів і висока вартість робіт по зміцненню обумовлені тим, що параметри технології були призначені на організаційній основі без обліку гірничо-геологічних умов. Основний параметр технології зміцнення скріплюючими складами – довжина шпуру. В нормативних документах вона призначена рівною 4 м незалежно від умов і місця робіт по зміцненню. Розмір зони тріщинуватої покрівлі спереду лави значно менший, ніж на сполученні лави з виробкою, чім навколо виробки. Щоб уникнути непродуктивних витрат на буріння шпурів, знизити витрати скріплюючих складів, довжина шпурів не повинна перевищувати розмір зони тріщинуватих порід спереду лави. У зв'язку з цим задача обґрунтування параметрів технології зміцнення нагнітанням складів, яка включає вивчення фільтраційних (коефіцієнт проникності, неоднорідність, анізотропія), сейсмоакустичних, механічних властивостей тріщинуватого масиву спереду вибою лави, тобто на геомеханічній підставі, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана на кафедрі РПР відповідно до тематичних планів науково-дослідних робіт ДГМІ і відбита в звітах НДР № ДР 01860061910, 01870030789, 01890020987, 02910006534, 02924000336, 019349878, 0196U000432, по котрим автор дисертації був відповідальним виконавцем.

Мета роботи - обгрунтування параметрів технології фізико-хімічного зміцнення покрівлі на протяжних ділянках лав на основі закономірностей фільтраційних, сейсмоакустичних, структурно-механічних властивостей порушеного масиву порід шляхом оперативного визначення його параметрів для підвищення ефективності роботи лав при нестійкій покрівлі.

Ідея роботи полягає в обліку особливостей зміни тріщинної проникності порушеної покрівлі спереду очисного вибою протяжної ділянки лави, для встановлення параметрів технології зміцнення масиву нагнітанням скріплюючих хімічних складів і комбінованого способу.

Для досягнення поставленої мети визначені наступні задачі дослідження:

установити показники порушеності й обвалюваності покрівлі в лавах, об'єм і область застосування хімічного способу зміцнення;

оцінити можливість, точність і ефективність математичного планування шахтного експерименту по визначенню проникності порушеної покрівлі спереду лави;

перевірити гіпотезу про взаємний зв'язок фільтраційних, сейсмоакустичних, структурно-механічних властивостей порушеної покрівлі на протяжних ділянках лав;

розробити аналітичний метод для визначення стійкого прольоту зміцненої покрівлі в незакріпленому привибійному просторі лави;

розробити метод оперативного визначення параметрів технології хімічного зміцнення порушеної покрівлі нагнітанням скріплюючих складів і комбінованого зміцнення на протяжних ділянках лав;

розробити й експериментально перевірити у шахтних умовах комбінований спосіб зміцнення покрівлі, параметри технології зміцнення скріплюючими складами, нові скріплюючи склади, визначити ефективність і перспективу їх застосування.

Об'єкт дослідження – технологія фізико-хімічного зміцнення порід нестійкої покрівлі на протяжних ділянках лав.

Предмет дослідження – параметри технології фізико-хімічного зміцнення покрівлі з обліком механічних, фільтраційних і сейсмоакустичних властивостей масиву.

Методи дослідження. У роботі використані натурний, лабораторний і аналітичний методи з застосуванням стандартних методик дослідження гірничого тиску, іспитів зразків порід і скріплюючих складів, методів математичної статистики, математичного планування експериментів і спеціальних приладів, пристроїв.

Наукові положення і результати, які виносяться на захист, їхня новизна:

уперше встановлені емпіричні залежності тріщинної проникності покрівлі спереду очисного вибою: із застосуванням математичного планування шахтного експерименту лінійна від міцності порід і глибини розробки; гіперболічного вигляду від міцності порід на розтяг і відстані од вибою у глибину масиву, яка дозволяє обґрунтувати параметри технології хімічного зміцнення нагнітанням скріплюючих складів на протяжних ділянках лави;

уперше встановлена регресійна залежність між коефіцієнтом тріщинної проникності порід та інтенсивністю сейсмоакустичних хвиль, збуджуваних різцем бурового механізму, що руйнує породу при бурінні шпуру на протяжних ділянках нестійкої покрівлі в лавах, необхідної для оперативного визначення довжини нагні-тального шпуру, глибини його герметизації та темпу нагнітання скріплюючого складу;

уперше встановлена аналітична залежність стійкого граничного прольоту зміцненої покрівлі від потужності і міцності порід зміцненого шару, потужності нестійкої покрівлі, для обґрунтування геомеханічних параметрів комбінованого способу зміцнення покрівлі в лаві: потужності зміцнюваного хімічними складами шару покрівлі, відстані між шпурами для нагнітання скріплюючих складів, відстані між анкерами.

Достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій приведених у дисертаційній роботі підтверджується:

застосуванням методів математичного планування експериментів, достатнім об'ємом шахтних та лабораторних експериментальних досліджень (750 вимірів тріщинної проникності порід у 11 лавах 9 шахт, 150 вимірів інтенсивності сейсмоакустичних хвиль, більше 200 проб порід, 120 зразків затверділих складів випробуваних на розтяг та інші); задовільною збіжністю експериментальних і розрахункових результатів (до 20 %), позитивними результатами упровадження наукових та практичних рекомендацій на 4 шахтах, що забезпечують підвищення ефективності роботи лав при нестійкій покрівлі.

Наукове значення роботи полягає в розвитку наукових знань про закономірності взаємного зв'язку між фільтраційними, сейсмоакустичними, механічними властивостями нестійкої покрівлі на протяжних ділянках лав і обгрунтуванні, із їх обліком, параметрів зміцнення покрівлі в лаві.

Розроблено аналітичний метод розрахунку потужності зміцнюваного хімічним складом шару покрівлі, що дозволяє обгрунтовувати параметри розташування шпурів при зміцненні порід на протяжних ділянках лав з обліком їхньої довжини.

Розроблено аналітичний метод розрахунку граничного стійкого прольоту зміцнюваної комбінованим способом ділянки нестійкої покрівлі в лаві.

У основі запропонованої типізації нестійкої покрівлі в лавах покладена інтенсивність сейсмоакустичних хвиль, а класифікаційна ознака - залишкова міцність порід порушеного масиву.

Практичне значення отриманих результатів полягає в обгрунтуванні методу контролю стану покрівлі на протяжних ділянках лав і параметрів її зміцнення, що забезпечує підвищення ефективності фізико-хімічного способу зміцнення, при наявності нестійкої покрівлі.

Встановлено придатність і ефективність оперативного методу визначення проникності порушених порід на протяжних ділянках лав по інтенсивності сейсмоакустичних хвиль від різця, що руйнує породу при бурінні шпуру.

Обгрунтовано параметри розташування шпурів на протяжних ділянках лав при зміцненні порід нагнітанням скріплюючих складів, при яких зменшуються витрати на буріння шпурів і витрата складів.

Обгрунтовано параметри розташування шпурів під анкери при комбінованому способі зміцнення покрівлі, що дозволяють розширити область застосування фізико-хімічного зміцнення.

Розроблено склад для нагнітання в масив через шпури і для набризкування на поверхню покрівлі на основі карбомидної смоли і полівінілацетатної дисперсії, вартість якого в 5 разів менше, ніж поліуретанового.

Розроблені і використані при впровадженні нагнітальна установка і ін'єктор для роздільної подачі в шпур двох компонентів хімічного складу.

Новизна розроблених способів і засобів контролю стану і зміцнення покрівлі захищена 4-ма авторськими свідоцтвами на винахід у співавторстві.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Рекомендації автора дисертації впроваджені на шахтах Донбасу з економічним ефектом у сумі 78 тис. грн. Впроваджено метод оперативного визначення проникності покрівлі і параметрів зміцнення на протяжних ділянках лав на шахтах ДХК "Лисичанськвугілля", "Луганськвугілля", "Ровенькиантрацит". Скріплюючий склад, розроблений на основі карбомидної смоли і полівінілацетатної дисперсії, комбінований спосіб зміцнення покрівлі, нагнітальна установка застосовані на шахті ім. Ф.Е.Дзержинського ДХК "Ровенькиантрацит".

Науково-прикладні результати розробки автора дисертації в частині визначення параметрів масиву і технології зміцнення використовуються в навчальному процесі при підготуванні бакалаврів і спеціалістів гірничого профілю в ДГМІ.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційну роботу автор виконав самостійно.

Апробація роботи. Основні результати роботи обговорювалися й одержали схвалення на щорічних науково-технічних конференціях по гірничій справі в ДГМІ (Алчевськ, 1979 - 1998, 2000), на засіданні "Тимчасової науково-технічної комісії для розробки пропозицій по основних напрямках розвитку наукових досліджень створення технології й устаткування для зміцнення гірничих порід і кріплення виробок хімічними матеріалами" ДКНТ СРСР (Москва, 1985), на семінарах у лабораторії "Нові матеріали і зміцнення масиву гірничих порід" ІГД ім. О.О. Скочинського (Москва, 1985-1987), на об'єднаному семінарі кафедр "Розробка пластових родовищ", "Будівництво шахт і підземних споруджень" і "Охорона праці і навколишнього середовища" Донбаського гірничо-металургійного інституту (м. Алчевськ) 07.04.2000 р., на науково-технічних Радах ДХК "Лисичанськвугілля", "Луганськвугілля", "Ровенькиантрацит", шахт "Луганська-1", "Чорноморка", "Фащівська", " Сутаган".

Публікації. Наукові і прикладні результати дисертації опубліковані в 11 друкарських роботах і відбиті в 4-х авторських посвідченнях на винаходи.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів і висновку, викладених на 161 сторінках машинописного тексту, включаючи 36 рисунків, 36 таблиць, а також перелік посилань із 134 джерел і 4 додатків.

Автор висловлює вдячність і подяку к.т.н. О.О. Єфименку за надану допомогу в проведенні натурних інструментальних вимірів і працівникам вугільних підприємств за сприяння і надану допомогу при впровадженні результатів досліджень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розробка в короткі терміни і впровадження досконалих технологій хімічного зміцнення нестійких покрівель лав стали можливими в результаті роботи великих творчих колективів басейнових інститутів, фірм, десятків і сотень учених вузів, академічних інститутів, виробничих об'єднань. Великий внесок у розвиток технології

зміцнення порід внесли В.В. Васильєв, Ш.А. Алтаєв, В.І. Бондаренко, В.Р. Іменитов, А.М. Мусін, Л.А. Кричевський, Л.П. Томашевський, В.В. Кара, Кайзер І., Хайєрман Х., Ю.А. Лаухин, А.П.Широков, Р.К. Хансиваров, І.Д. Насонов, М.М. Кас'ян і багато інших.

До параметрів технології хімічного зміцнення нагнітанням скріплюючих складів відносяться: довжина шпуру, кути нахилу до горизонтальної площини і площини пласта, глибина герметизації, відстань між шпурами, витрата складів на шпур (1 м шпуру, м2 покрівлі, м3 масиву), тиск нагнітання. Довжина шпуру - основний параметр, що визначає інші.

На підставі аналізу вивченості досвіду хімічного зміцнення, властивостей зміцнюваних масивів, стану технології зміцнення покрівлі в лавах вугільних пластів зроблені висновки:

при застосуванні карбомидних смол спочатку довжина шпурів для нагнітання скріплюючих складів приймалася від 1,8 до 2,0 м (в окремих випадках до 3,5 м), відстань між шпурами від 1,0 до 6,0 м, витрата на шпур від 0,002 до 0,4 м3;

параметри технології нагнітання поліуретанових складів на протяжних ділянках лав призначені виходячи з організаційних вимог, без обліку властивостей масиву гірничих порід; параметри комбінованого способу зміцнення порід не розроблені;

в очисних вибоях на шахтах Українського Донбасу застосовуються сучасні технології зміцнення порід, істотними нестачами яких є висока вартість скріплюючих складів на основі поліуретанових смол;

фільтраційні, структурно-механічні, сейсмоакустичні властивості зміцнюваної покрівлі на протяжних ділянках лав не досліджувані;

не розроблені і не застосовуються спосіб і засоби оперативного контролю стійкості покрівлі і визначення параметрів зміцнення на протяжних ділянках лав.

Відповідно до методики в натурних умовах досліджували тріщинну проникність, сейсмоакустичні властивості, тріщинуватість масиву; відбирали проби порід у місцях обрушування покрівлі на протяжних ділянках лав. Проникність покрівель визначалася методом повітряного випробування тріщинуватості (ПВТ), заснованому на вимірі часу витікання дозованого об'єму стиснутого повітря від 0,4 до 0,1 МПа через тріщини, що перетинають загерметизовану 0,2-метрову ділянку шпуру. Для цього застосовувався прилад для виміру тріщинної проникності. Методика дослідження проникності полягала у наступному. На протяжних ділянках лав, у зоні вивалу порід покрівлі, у глиб масиву бурили шпури довжиною до 2,5 м, під кутом 5-300. Проникність окремих 0,2-метрових ділянок вимірювали в напрямку від вибою шпуру до устя. Для цього по секундоміру фіксували час зниження тиску стиснутого повітря від 0,4 до 0,1 МПа.

Проникність масиву також визначали по методу фільтрації, заснованому на вимірі часу витікання дозованого об'єму стиснутого повітря при постійному тиску. Результати вимірів за двома методами через ті самі ділянки шпурів передбачалися для дослідження зв'язку еквівалентного отвору і коефіцієнта тріщинної проникності.

Фільтраційну анізотропію тріщинної проникності масиву визначали методом ПВТ за допомогою розробленого автором пристрою. Виміри виконували по чотирьох напрямках, при орієнтації секторної іспитової камери нагору, вниз і у боки стосовно вісі шпуру, на кожній 0,2-метровій загерметизованій ділянці.

При визначенні фільтраційних властивостей порушених покрівель паралельно, по тим самим шпурам, визначали сейсмоакустичні властивості масиву, із метою дослідження їхнього взаємного зв'язку. Для виміру інтенсивності сейсмоакустичних хвиль застосовували прилад ПСЛ-2м конструкції ІГС ім. О.О. Скочинського. Методика сейсмоакустичного зондування покрівлі на протяжній ділянці лави полягала у наступному. На замірній станції крейдою відзначали місце розташування устя шпуру й в обидві сторони від нього через 0,5м намічали крапки установки приймача приладу. Шпур бурили електросвердлом до глибини 0,8-0,9 м, після чого вимірювали приладом ПСЛ-2м інтенсивність сейсмоакустичного сигналу від породного різця, що руйнує породу. Зусилля подачі свердла підтримували постійне і рівне 200 кН. Загальний час виміру дотримувався мінімальним, щоб шпур поглибився не більш ніж на 0,1м. Виміри повторювали при глибині 1,6-2,0 м.

У лабораторних умовах визначали параметри міцностних і деформаційних властивостей порід, затверділих полімерних композицій, хімічні властивості порід. З однієї проби виготовляли 4-10 зразків породи полуправильної форми розміром от25 до 40 мм, із ймовірною площею розколу 15-18 см2 і випробували на розрив приладом ППЕІ конструкції кафедри шахтного будівництва ДГМІ. Зразки розколювали кульовими інденторами, фіксували тиск по манометру приладу, вимірювали площу поверхні розколу зразка й обчислювали межу міцності породи на розрив уздовж шару. Зразки затверділих композицій випробували на розривній машині РМП-50-у. Розміри зразків 110х10х(1-2) мм.

У другому розділу по маркшейдерській і геологічній документації вивчені гірничо-геологічні і гірничотехнічні умови відпрацьовування пластів лавами. Методикою передбачався збір і аналіз даних через 3-5 років, із метою виявлення закономірностей у проявах порушення покрівель вугільних пластів у межах виймальних полів шахт, виробничих об'єднань і усього Донбасу. Зібрані дані про роботу усіх лав оброблені з застосуванням методів математичної статистики і використані при виборі об'єктів дослідження властивостей порушеної покрівлі, а також для встановлення об'ємів і області застосування фізико-хімічного способу зміцнення на шахтах Донбасу.

Обвалюваність покрівель у привибійному просторі, поданих аргілітами й алевролітами, вивчена для 264 геологічних порушень у лавах пологих пластів. Геологічні порушення (скиди, підкиди, насуви) мали: нормальну амплітуду від 0,1 до 2,0 м, у середньому 0,44 м; кути зустрічі з лавою від 100 до 850; кути спаду зміщувачів від 130 до 850. Вивали порід покрівлі спостерігалися у висячому боці в 90 %, а в лежачім боці в 70 % випадків.

Встановлено, що навіть при незначних амплітудах порушень спостерігаються вивали висотою від 0,5 до 1,5 м; підтверджена тенденція збільшення висоти обрушення

зі збільшенням амплітуди порушення, тобто висота обрушення, як і у випадку обманливої покрівлі, визначається потужністю слабких порід. Отримані значення параметрів порушених зон використані при визначенні об'ємів і необхідних засобів хімічного зміцнення порід на шахтах Донбасу.

Запропонована методика розрахунку потужності зміцнюваного шару і визначення стійкого граничного прольоту зміцненої покрівлі містить такі припущення: міцність затверділих складів не перевищує міцності на розрив порід нестійкої покрівлі, що знаходиться у межах від 1 до 4 МПа; при опусканні покрівлі після виїмки вугілля зміцнений масив розділяється тріщинами паралельними лінії очисного вибою на балки шириною, рівною ширині захвату комбайна; покрівля повинна зберігати стійкість у незакріпленому привибійному просторі лави. Отримано рівняння для розрахунку потужності зміцнюваного шару

м, (1)

де hl - потужність зміцненого шару, м; hн.к. - потужність нестійкої покрівлі, м;

- об'ємна вага порід нестійкої покрівлі, Н/м3; lт - довжина технологічного прольоту балки, м; [ ] - міцність порід зміцненої покрівлі на розтяг, МПа.

У лавах з індивідуальним кріпленням, при дотриманні технології кріплення покрівлі і потужності зміцнюваного шару до 1 м, неможливо створити стійкий проліт із зміцнених порід довжиною більше 6 м. При потужності зміцненого шару недостатньої для утримання схильної до обвалення покрівлі, необхідно додатково армувати його анкерами, тобто застосовувати комбінований спосіб зміцнення, сутність якого полягає в наступному. У місцях вивалу порід нестійкої покрівлі буриться один або два ряди шпурів, через нижні шпури нагнітається скріплюючий склад. Потім у нижніх і верхніх шпурах, через визначену відстань уздовж лави, встановлюють і закріплюють по усій довжині скріплюючим складом анкери, що утримують від завалення укріплений шар. Спосіб придатний в умовах, при котрих неефективне хімічне анкерування, тобто для порід з інтенсивністю тріщинуватості 5 і більш тріщин на 1 м.

Для визначення стійкого прольоту зміцненої комбінованим способом покрівлі, на підставі аналітичної залежності для визначення потужності зміцнюваного шару порід, отримана формула

, м, (2)

де l - довжина стійкого прольоту зміцненої покрівлі; Кб -коефіцієнт, що враховує умови роботи балки: для консольної балки Кб =1; для балки на двох пружних опорах Кб=2.

За результатами приведених розрахунків розроблений параметр технології хімічного зміцнення комбінованим способом - відстань між шпурами для анкерів.

У третьому розділі досліджувалася залежність тріщинної проникності порушених покрівель від визначальних її факторів. Вибір числа й умов постановки досвідів здійснений на підставі математичного планування експерименту, з обліком неповного виконання вимог керованості факторами. При аналізі впливаючих факторів у план експерименту апріорі включена міцність порід, глибина розробки, потужність пласта. Після реалізації плану повного факторного експерименту типу 23 отримана лінійна модель, що адекватно описує проникність порід у залежності від основного впливаючого фактора - міцності порід на розтяг

, (3)

де SЕ - еквівалентний отвір, мм2; - межа міцності порід на розтяг, МПа;

H - глибина розробки, м.

Для рішення задачі дослідження розподілення проникності у глиб масиву, тобто від довжини шпуру, потужності порід , що легко обрушуються і, головне, більш детального дослідження екстремального значення параметра оптимізації - коефіцієнта проникності, проведені додаткові дослідження проникності. Дослідження тріщинної проникності покрівель були проведені в 11 лавах 9 шахт при наступних гірничо-геологічних умовах відпрацьовування: потужність пластів від 0,56 до 1,4м; кут спаду пластів 5-280; глибина розробки 246-705 м. Довжина ділянок вивалів нестійкої покрівлі уздовж лави складала від 1,6 до 40,5 м, а висота обвалення порід покрівлі від 0,2 до 2 м. У місцях вивалів покрівлі було пробурене 22 шпури, у яких виконано 750 вимірів тріщинної проникності нестійких покрівель. Для оброблення статистичних даних застосовані методи математичної статистики, що дозволяють установити характер зміни відгуку від різних факторів усередині досліджуваної області. Для прогнозування тріщинної проникності порушених порід покрівлі в лавах отримане рівняння множинної регресії, у яке були включені 4 фактори

, (4)

де lш - глибина шпуру, м; ? р - міцність порід на розтяг, МПа.

Залежність достовірна, тому що множинне кореляційне відношення і його надійність відповідно дорівнюють 0,77 і 19,0. Рівняння придатне в наступних діапазонах зміни факторіальних ознак: lш від 0,4 до 1,98 м, середнє - 0,94 м; Н від 350 до 705 м, середнє - 510 м; від 1,1 до 2,7 МПа, при середньому значенні 2,22 МПа; hн.к. від 0,2 до 2 м, середнє - 0,61 м. У рівнянні залежні фактори розташовані в порядку убування ступеня їхнього впливу на розмір еквівалентного отвору. Отримані рівняння чистих регресій

; (5)

; (6)

; (7)

; (8)

придатні для прогнозу залежності SЕ від lш, і Н, тобто підтверджені виводи, отримані при відпрацьовуванні плану експерименту, але уточнений вид залежності - залежність гіперболічного виду надійніша за лінійну.

Для визначення параметрів технології зміцнення важливо знати не відносну характеристику проникності (SЕ), а коефіцієнт проникності, що характеризує фільтраційні властивості масиву. Отримана залежність коефіцієнта тріщинної проникності від площі еквівалентного отвору

, м2, (9)

де К - коефіцієнт тріщинної проникності масиву порід, м2.

Коефіцієнт кореляції дорівнює 0,91, його надійність 26,51.

Встановлено, що зі збільшенням глибини виміру коефіцієнт тріщинної проникності масиву зменшується, що підтверджено виразом

, м2 , (10)

де Ко, КЄ і КЕ - коефіцієнти тріщинної проникності порід відповідно відносний, для розглянутої частини шпуру і усього шпуру. Кореляційне відношення 0,72, його надійність 14,9.

Фільтраційні властивості порід тріщинуватого масиву вивчені також у напрямках рівнобіжних і перпендикулярних шаруватостям. На підставі досліджень проникності покрівель установлено, що нестійкі породи спереду очисного вибою по фільтраційним властивостям анізотропні і неоднорідні. Коефіцієнт анізотропії проникності мав значення від 1,13 до 11,7, при середньому значенні 3,55. В усіх розглянутих дослідах проникність у напрямку пласта була в середньому на 30 % менше, ніж по інших напрямках, що було враховано при визначенні параметрів технології нагнітання складів: відстані між шпурами і розташування шпурів.

Встановлено, що в масиві порід покрівель спереду вибою дуже порушена зона поширювалася на 0,4-1,2 м (0,47-1,56 потужності пласта) і залежала в основному від міцності порід. Для визначення розміру цієї зони в співавторстві було отримане рівняння регресії

(11)

де mпл. - потужність пласта, м.

Рівняння має кореляційне відношення 0,82, а його надійність 9,1. Ширина зони порушених і вододіючих фільтраційними властивостями, що різко відрізняються, порід спереду очисного вибою незначна і порівняна із шириною захвату комбайна.

Безпосередні визначення коефіцієнтів проникності порушеного масиву методом ПВТ або по методу фільтрації при постійному тиску повітря трудомісткі, тривалі, а головне, не оперативні. Тому паралельно з фільтраційними властивостями досліджувалися сейсмоакустичні властивості порід, для встановлення їхнього взаємного зв'язку і можливості по інтенсивності сейсмоакустичного сигналу оцінити тріщинну проникність масиву. Встановлено кореляційний зв'язок між інтенсивністю проходження сейсмоакустичного сигналу від різця, що руйнує породу при бурінні шпуру і коефіцієнтом тріщинної проникності на протяжній ділянці лави, що виражається рівнянням

, (12)

де А - середнє значення інтенсивності сейсмоакустичних хвиль, мкА.

Залежність достовірна, тому що коефіцієнт кореляції дорівнює 0,51, а його надійність 3,53. Для обліку взаємного впливу факторів, досліджуване наступне рівняння множинної регресії

. (13)

Множинне кореляційне відношення 0,724 і його надійність 7,29. Рівняння (13) більш надійно, ніж рівняння парної кореляції відбиває залежність досліджуваних факторів і на його основі отримані рівняння чистої і приватної регресій

; (14)

. (15)

Результати проведених досліджень використані для розробки оперативного методу прогнозу коефіцієнта тріщинної проникності, на підставі якого визначаються технологія і параметри зміцнення покрівлі на протяжних ділянках лав.

У четвертому розділі на основі встановлених закономірностей фільтраційних, сейсмоакустичних, структурно-механічних властивостей нестійких покрівель на протяжних ділянках лав обгрунтовані параметри технології зміцнення покрівлі нагнітанням скріплюючих складів. У результаті теоретичних розрахунків для шпуру довжиною 4 м по залежності (15) установлено, що для всього діапазону інтенсивності сейсмоакустичних хвиль від 150 до 500 мкА (область застосування технології зміцнення нагнітанням скріплюючих складів), на ділянці шпуру від 2 до 4 м (при 150 мкА) і від 1,6 до 4м (при 500 мкА) тріщинна проникність не перевищує 10 % від загальної проникності через шпур, тобто практично відсутня. Таким чином, довжина шпуру для нагнітання скріплюючих складів може бути прийнята від 1,6 до 2,0 м.

З умови рівності проникності на ділянці шпуру , що фільтрує , і на загерметизованому глибина герметизації шпуру складає від 0,7 до 0,6 м, герметизується ділянка дуже порушених порід, що відповідно до рівняння (11) має глибину від 0,4 до 0,8 м. При цьому виключаються непродуктивні витрати на буріння шпурів довжиною більш 1,6 - 2 м, забезпечується надійність способу, тому що масив оброблюється рівномірно, виключається витік скріплюючих складів через дуже тріщинуваті породи. Довжина шпуру, довжина його фільтруючої частини визначають всі інші параметри розташування шпурів і технології нагнітання.

Кут нахилу шпуру до площини напластування прийнятий 0-5О, тобто шпур необхідно розташовувати паралельно площині напластування і на відстані від неї рівному 0,4 потужності зміцнюваного шару, тому що проникність у напрямку до пласта на 30 % менше, ніж по іншим напрямкам.

При однакових показниках приладу по пікетах зліва і справа від устя шпуру, його рекомендується бурити перпендикулярно до лінії очисного вибою, якщо показання відрізняються - розташовувати під кутом від 60 до 750 убік, де спостерігається більша інтенсивність сейсмоакустичних хвиль. Відстань між шпурами для нагнітання складів залежить від фільтраційних властивостей масиву, потужності зміцнюваного шару і визначається по формулі

, (16)

де lм. ш. - відстань між шпурами, м; h1 - розрахункова потужність зміцнюваного шару покрівлі, м; kА - коефіцієнт, що враховує анізотропію проникності, kА = 1,3;

kн - коефіцієнт, що враховує нерівномірність проникності на ділянці шпуру , що фільтрує, kн = 0,8.

Таблиця – Параметри масиву та розташування шпурів на протяжних

ділянках лав

Показник Параметри у лавах*

Інтенсивність сейсмоакустичних хвиль, мкА до 150 151-250 251-500

Довжина шпуру, м 2,0/2,0 1,8/1,8 1,6/1,6

Глибина герметизації, м 0,6/0,6 0,65/0,65 0,7/0,7

Відстань між шпурами для нагні-тання складів при потужності порід, що обвалюються, м 1,0 2,0 1,0/1,0 1,0/2,0 1,0/1,0 1,0/1,6 1,0/1,0 1,0/1,4

Відстань між шпурами для анкерування при комбінованому способі зміцнення у залежності від потужності зміцнюваного шару та міцності порід, що обвалюються м 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,5 2,0 1,5 1,7 2,0 2,2 2,5 3,8 5,1 2,1 2,5 2,9 3,2 3,6 5,4 7,2 2,6 3,0 3,5 3,9 4,4 7,6 10,0

Міцність на розтяг, МПа 1 2 3

* у чисельнику з механізованим; у знаменнику з індивідуальним кріпленням.

З методики визначення потужності зміцнюваного шару відстань між шпурами варто приймати рівною потужності зміцнюваного шару, що залежить від потужності і міцності зміцнених порід. У табл. приведені параметри розташування шпурів для нагнітання скріплюючих складів і анкерування при комбінованому способі зміцнення. Методика визначення параметрів розташування шпурів включає: вимір інтенсивності сейсмоакустичних хвиль приладом ПСЛ-2м при бурінні шпуру на місці проведення робіт по зміцненню, визначення по таблиці довжини шпуру, глибини герметизації і відстані між шпурами. На підставі розрахунків встановлене, що при комбінованому способі зміцнення відстань між анкерами уздовж вибою лави дорівнює від 1,5 до 7,2 м, що в 2,5 - 12 разів більше, ніж тільки при анкеруванні.

Ефективність зміцнення порід визначається також властивостями скріплюючих матеріалів. Досліджувалися властивості скріплюючих складів на основі перспективних карбомидних смол із метою підвищення міцності, зменшення часу затвердження й усадки складів, таких як МФФ-М, КФ-МТ, МФФ-Ф, КФ-СОМТ, КФ-О, КФ-МТ-15 і ін. Виходячи із санітарно-гігієнічних властивостей, для застосування в підземних умовах, більш придатні смоли з найменшим утриманням вільного формальдегиду - КФ-СОМТ (0,06-0,1 %). Як добавок до смоли застосували сечовину, полівінілацетатну дисперсію, воду; як затверджувач - щавлеву кислоту. Найменшу міцність на розрив від 0,88 до 1,53МПа мала композиція, традиційно застосовуваного складу: смола - кислота - вода. У складі без води, у котрому ПВА дисперсія використовувалася для змішування з щавлевою кислотою, міцність збільшувалася незначно, однак, додавання від 1 до 2 % сечовини привело до значного збільшення міцності затверділого складу на розрив від 2,2 до 7,9 МПа. З метою виявлення впливу ПВА дисперсії на міцності і деформаційні властивості скріплюючого складу складений симплекс-решітчастий план (3.3) і діаграма склад-властивість. В кожному з 26 дослідів виготували по 5-7 зразків затверділого скріплюючого складу і випробували їх на розривній машині РМП-50у. При обробці даних випробувань для смоли КФ-СОМТ отримане рівняння множинної регресії

, МПа. (17)

Рівняння (17) надійно описує вплив ПВА дисперсії (Хп) і кислоти (ХК) у скріплюючому складі. Множинне кореляційне відношення 0,47, його надійність 2,78. У результаті досліджень розроблений скріплюючий склад на основі смоли КФ-СОМТ і ПВА дисперсії з вмістом компонентів, мас. %: смола 70, ПВА дисперсія от 26 до 29,5; щавлева кислота від 4 до 0,5. Застосування скріплюючих складів з вмістом щавлевої кислоти більш 1 % практично можливо тільки при дворозчинній або роздільній схемі нагнітання, коли компоненти роздільно подають до шпуру і перемішують у змішувачі або безпосередньо у шпурі. Однорозчинна схема нагнітання може бути застосована при утриманні щавлевої кислоти менше 1 % у скріплюючему складі.

Продуктивність нагнітальної установки для зміцнення порід на протяжній ділянці лави визначається з обліком коефіцієнта проникності по формулі

, м3/с, (18)

де d - діаметр шпуру, м; k' - середній коефіцієнт проникності порід на фільтраційній ділянці шпуру, пробуреному на протяжній ділянці лави, k' = K/2, м2;

lф - довжина ділянки фільтрації шпуру, м; - тиск нагнітання скріплюючого складу, Па; - об'ємна маса скріплюючого складу, кг/м3; - відношення динамічної в'язкості скріплюючого складу до динамічної в'язкості води; а - коефіцієнт розмірності, а = 1 м2. На підставі розрахунків по формулі (18) продуктивність установки для нагнітання скріплюючих складів у покрівлю пластів на протяжних ділянках лав знаходиться в межах від 0,04х10-3 до 0,16х10-3 м3/с. Проникність порід, довжина шпуру, довжина фільтруючої частини, і глибина герметизації істотно впливають на темп нагнітання скріплюючих складів, що визначається відповідно за номограмою на рисунку. По інтенсивності сейсмоакустичних хвиль і фактичній глибині шпуру, при якій виміряна величина інтенсивності, визначається крапка В у полі 22'1'1. Через крапку В проводиться переривчаста крива, рівнобіжна найближчій кривій А до перетинання з прямими 11' і 22'. Нормалі, опущені з крапки В1 визначають на вісі абсцис довжину шпуру для нагнітання скріплюючих складів, а на вісі ординат сумарну проникність по довжині шпуру; із крапки В2 на вісі абсцис - глибину герметизації шпуру, а на вісі ординат ~ 50 % проникності в фільтруючій частині, від загальної проникності по шпуру. З проекції крапки В2 на вісі К проводиться переривчаста крива , рівнобіжна найближчої кривої на графіку Qн = f(P), а потім проекція крапки на проведеній кривій, отриманої від проекції на заданий тиск (Р) на вісі ординат Qн зчитуємо відповідний тиску темп нагнітання.

Для нагнітання скріплюючих синтетичних розчинів у ДГМІ було розроблене і виготовлене спеціальне устаткування з урахуванням установлених параметрів порушених, нестійких масивів порід покрівель: нагнітальні установки на основі поршневих і шестеренчастих насосів, ін'єктор для двокомпонентних розчинів. Нагнітальні установки, ін'єктор, модифіковані скріплюючі склади успішно застосовувалися при виконанні науково-дослідних робіт і були впроваджені на шахтах виробничих об'єднань "Луганськвугілля", "Лисичанськвугілля", "Ровенькиантрацит" для здійснення технології зміцнення з оптимальними параметрами. Так, у лаві № 680 пласту h8 на шахті ім. Ф.Е.Дзержинського для запобігання обвалення покрівлі був застосований комбінований спосіб зміцнення порід, що включає в себе нагнітання в масив через шпури скріплюючого складу, анкерування покрівлі з хімічним закріпленням анкерів і створення скріплюючого шару набризканням на поверхні вивалу.

Для зміцнення порід застосовували скріплюючий склад на основі карбомидної смоли такого складу, мас. % : карбомидна смола КФ-СОМТ або КФ-МТ-15 - 66,0-70,0; ПВА дисперсія марки П - 33-27; щавлева кислота - 0,5-3,0. Затверджена композиція скріплюючого складу мала міцність на стиск від 50 до 79 МПа. Для нагнітання скріплюючих складів і набризкування застосовувалася розроблена автором нагнітальна установка на основі шестеренчастих насосів.

На шахті "Фащівська" для створення скріплюючого шару набризкуванням, як елемента комбінованого способу зміцнення, застосовували розроблену ДГМІ полімірну композицію зі смоли КФ-СОМТ, полівінілацетатної дисперсії, щавлевої кислоти.

Економічна ефективність від упровадження розробок склала 78 тис.грн. Заміна поліуретанових складів на карбомидні, при оптимальних параметрах зміцнення, дозволить одержати ефект більше 36 млн. грн. у рік на шахтах Українського Донбасу.

ЗАКЛЮЧЕННЯ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова задача обґрунтування параметрів технології зміцнення покрівлі на протяжних ділянках лав шляхом оперативного визначення властивостей порушеного масиву, що забезпечує підвищення ефективності роботи лав при нестійких покрівлях.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному:

1. У результаті вивчення фільтраційних, сейсмоакустичних, міцностних властивостей покрівель лав уперше встановлені кількісні залежності для визначення коефіцієнта проникності порушених покрівель на протяжних ділянках лав, що враховують міцність порід на розрив, довжину шпуру.

2. Обґрунтовано параметри розташування шпурів на протяжних ділянках лав, при зміцненні порід нагнітанням складів, у залежності від інтенсивності сейсмоакустичних хвиль від 500 до 150 мкА: довжина шпурів від 1,6 до 2 м, глибина герметизації від 0,6 до 0,7 м, відстань між шпурами від 1 до 2 м.

3. Обґрунтовано область застосування і параметри комбінованого способу зміцнення покрівлі на протяжних ділянках лав: відстань між шпурами для нагнітання скріплюючих складів від 1 до 2 м, відстань між анкерами уздовж лави від 1,5 до 7,2 м, що в 2,5-12 разів більше, ніж при хімічному анкеруванні.

4. Розроблені аналітичні методи розрахунку потужності зміцнюваного хімічним складом шару покрівлі на протяжних ділянках лав, що враховують склад порід покрівлі, технологію виїмки вугілля і кріплення лави і розрахунку відстані між анкерами при комбінованому способі зміцнення порід.

5. Основою запропонованої типізації нестійкої покрівлі у лавах є інтенсивність сейсмоакустичних хвиль, а класифікаційною ознакою - залишкова міцність порушеного масиву порід, що служить для визначення об'єму, області застосування хімічних способів зміцнення.

6. Встановлено придатність і ефективність оперативного методу визначення проникності порушених порід на протяжних ділянках лав по інтенсивності сейсмоакустичних хвиль від різця, що руйнує породу при бурінні шпуру.

7. Розроблений і випробуваний у шахтних умовах скріплюючий склад для нагнітання в масив через шпури і для набризкування на поверхні оголеної покрівлі, на основі карбомидної смоли і полівінілацетатної дисперсії, вартість якого в 5 разів менша, ніж поліуретанового. Склад, мас. %: смола КФ-СОМТ або КФ-МТ-15 - 70,0; ПВА дисперсія - 29,5-29,0; щавлева кислота - 0,5-1,0.

8. Розроблені і випробувані в шахтних умовах комбінований спосіб зміцнення покрівель у лавах, нагнітальна установка, ін'єктор для роздільної подачі в шпур двох компонентів хімічного складу.

9. Об'єм застосування зміцнення на протяжних ділянках лав шахт Українського Донбасу складає 30 % лав, 1,5 млн. м3 породи, на шахтах Луганської області ~ 100 лав. Економічна ефективність від упровадження розробок склала 78 тис. грн.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах:

1. Пятаченко А.А. Разработка параметров упрочнения кровли в лавах: Сб. науч. тр.: Донбасс. горно-металлург. институт. - Алчевск: ДГМИ, 1998. - № 7. - С. 11-16.

2. Пятаченко А.А. Определение устойчивого пролета упрочненных пород: Сб. науч. тр. / Донбасс. горно-металлург. институт. - Алчевск: ДГМИ, 1999. - №10. - С. 76-79.

3. Пятаченко А.А. Совершенствование технологии упрочнения протяженных участков неустойчивой кровли в лавах на шахтах Украинского Донбасса: Сб. науч. тр. /Донбасс. горно-металлург. ин-т. – Алчевск:ДГМИ, 2000. - № 11. – С. 97-104.

4. Клишин Н.К., Пятаченко А.А., Данилов А.А. Применение комбинированного способа упрочнения кровли в лавах объединения "Ровенькиантрацит"// Новые технологии и оборудование горных работ: Сб. науч. тр. - К.: ИСИО, 1993. - С. 23-26.

5. Клишин Н.К., Пятаченко А.А., Рак Н.М. Совершенствование технологии упрочнения кровли в лавах // Уголь Украины. - 1988. - № 6. - С. 14-15.

6. Клишин Н.К., Пятаченко А.А., Ефименко А.А., Данилов А.А. Закономерности фильтрационных свойств нарушенных кровель в лавах. // Подз. разр. угол. пластов тон. и средн. мощности: Сб. науч. тр. ТПИ. – Тула: 1983. - С. 86-90.

7. Клишин Н.К., Пятаченко А.А. Расчет мощности упрочняемого слоя кровли в лаве // Подземная разработка тонких и средней мощности уг. пластов: Сб. науч. тр. ТПИ. - Тула: 1991. - С. 83-87.

8. Клишин Н.К., Пятаченко А.А.,