2. Горно-геологические, горнотехнические условия и механизм обрушения угольных пластов и горных пород

Горно-геологические и горнотехнические условия, при кото­рых могут произойти обрушения определяются положением обна­женного массива угольных пластов и горных пород, крепостью их, наличием крепи, а также плотного контакта между крепью и масси­вом угольных пластов и горных пород. Наиболее опасными по об­рушению являются зоны геологических нарушений. Механизм об­рушения массива горных пород представляется следующим обра­зом.

В обнаженном нависающем массиве угольных пластов и гор­ных пород под действием гравитационных сил возникают растяги­вающие напряжения. Если растягивающие напряжения превысят предел прочности на растяжение, произойдет отделение породы или угля в зоне, прилегающей непосредственно к обнажению, от остальной части массива угольного пласта или горных пород.

Обрушение угля и пород прекратится тогда, когда обнаженная поверхность достигнет крепких пород, в которых не будут соблю­даться условия [σ_раст.]<σ_раст или если сформируется над обрушающейся зоной свод естественного равновесия (зона, в которой на контуре обнажения растягивающие напряжения отсутствуют).

Математически условия, при которых может возникнуть об­рушение, записываются следующим образом:

γl > [σ_раст.], 􀉪 􀉚􀉫􀉬(1)

где γ – объемный вес массива горных пород; 1– расстояние от обнажения до места, в котором [σ_раст.] > σ_раст.; σ_раст – растягивающие напряжения в массиве горных пород, возникающие под действием гравитационных сил; [σ_раст.] – предел прочности массива горных пород на растя­жение.

3. Мероприятия по предотвращению обрушений породы в призабойном пространстве очистных выработок

По мере расширения области применения механизированных комплексов в очистных выработках, особенно при переходе на уз­козахватную технологию выемки угля, значительно увеличивается площадь незакрепленного пространства между забоем и первым рядом стоек крепи, в связи с чем возрастает актуальность проблемы предотвращения обрушения пород кровли.

На склонность пород непосредственной кровли к обрушению в призабойное пространство влияют: состав и механическая проч­ность пород, степень их нарушенное, слоистость, величина пло­щади и продолжительность обнажения кровли до установки крепи.

Для предотвращения обрушения пород в призабойное про­странство, на участках где породы кровли склонны к обрушению, наибольшее применение получили способы опережающего хими­ческого анкерования и нагнетание в породный массив скрепляюще­го материала. В особо сложных условиях может применяться укре­пление породного массива путем нагнетания скрепляющего мате­риала с последующим армированием его анкерами.

Применяются два способа подачи рабочей жидкости в шпур: в виде патронов и путем нагнетания.

При применении опережающего анкерования скрепляющий материал подается в шпуры в ампулах (патронах). Затем в них вво­дятся анкерные стержни при этом ампулы разрушаются и переме­шиваются рабочие жидкости (смола и отвердитель) вследствие чего состав вспенивается, происходит увеличение его объема и самона­гнетание в трещиноватый массив. Анкерные стержни устанавлива­ются под определенными углами к напластованию пород над еще не вынутым целиком угля. Для обеспечения устойчивости удержи­ваемого от обрушения массива пород необходимо хорошее сцепле­ние скрепляющего состава с породами и стержнем, проникновение скрепляющего состава в наиболее развитые трещины в массиве горных пород, предварительное натяжение анкера.

При нагнетании скрепляющего состава под давлением обеспе­чивается равномерное насыщение обрабатываемого массива, вслед­ствие чего повышается эффективность этого способа. Скрепляю­щие растворы могут нагнетаться через скважины, пробуренные с поверхности, из подготовительной выработки или непосредственно из лавы.

Указанные способы упрочнения пород, как правило, приме­няются на сопряжениях лавы с подготовительными выработками, в зонах тектонических нарушений в лавах.

Связующий материал, применяемый в угольной промышлен­ности, должен обладать определенными физико-механическими, санитарно-гигиеническими и противопожарными свойствами.

Работоспособность скрепляющего материала характеризуется его сцеплением (адгезией), прочностью (когезией), вязкостью и ре­гулируемыми сроками отверждения.

По условиям безопасности должны приниматься во внимание: характер воздействия скрепляющего состава на кожный покров, возможность выделения вредных газообразных веществ, горючесть исходных компонентов и скрепляющего состава, его воспламеняе­мость и самозатухаемость.

Применяются скрепляющие составы на основе фенол- и кар- бомидоформальдегидных, эпоксидных, полиэфирных смол, поли- уританов и акриламида.

Наиболее перспективными являются скрепляющие составы на основе полиуретанов.

Ампулы применяемые при химическом анкеровании состоят из полиэтиленовой оболочки, заполненной полиэфирной смесью, и вложенной в эту оболочку стеклянной пробирки с кодицином.

К параметрам химического анкерования относятся: длина ан­кера и диаметр его поперечного сечения, предварительное натяже- ниє анкера, количество рядов анкеров по высоте обрушения пород, углы установки анкеров в упрочняемом массиве, шаг установки ан­керов в ряду.

Применение химического анкерования в лавах дает положи­тельные результаты при следующих горно-технических условиях: залегание в породах кровли глинистых, песчано-глинистых и пес­чаных сланцев с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова f = 2...6, мощность обрушающихся пород - от 0,5 до 2 м и более, расстояние между трещинами - от 0,1 до 1 м, длина максимально возможного незакрепленного пролета породного мас­сива от линии забоя до поверхности обрушения - 0,4…1,6 м.

Максимальное значение шага установки анкеров в ряду опре­деляется из следующего выражения:

(2)

где К – кусковатость пород при обрушении, м; В – толщина нижнего слоя кровли, м; Н – общая мощность обрушающихся пород, м.

К параметрам упрочнения пород нагнетанием скрепляющих растворов относятся: длина шпура, угол наклона к плоскости на­пластования, расстояние между шпурами, глубина герметизации шпура.

После нагнетания вокруг шпура по всей длине его фильтрую­щей части образуется зона упрочненных пород радиусом R..

Количество скрепляющего состава, подаваемого в один шпур, определяется по формуле:

V_с = πR² l_ф q, (3)

где l_ф – длина фильтрующей части шпура, м; q – удельный расход скрепляющего материала, л/м³.

Удельный расход скрепляющего материала может быть опре­делен по формуле:

q = (n - w) • V_n, (4)

где V_n – объем упрочняемой породы, м³; п – пористость породы; w – влажность породы.

Величина радиуса зоны упрочненных пород R определяется экспериментально. Расстояние между шпурами принимается рав­ным удвоенному радиусу зоны упрочнения пород. Угол наклона шпура принимается таким, чтобы забойная часть шпура располага­лась над пластом угля на высоте 0,6-0,7 м. Глубина герметизации принимается равной 1,0-1,5 м.

При применении этого способа упрочнения пород на шахтах Донбасса получены хорошие результаты. Для упрочнения пород применялся раствор, содержащий 60-70% смолы, которая смешива­лась с 10%-ным водным раствором щавелевой кислоты. На один шпур расходовалось 40-60 л при расстоянии между шпурами 2-2,5 м. Радиус распространения скрепляющей жидкости вокруг шпура составлял 1,2 м.

Основным недостатком, сдерживающим применение карбомидных смол для упрочнения пород, является выделение в шахт­ную атмосферу формальдегида и метанола.