Способы предупреждения выбросов породы и ликвидация их последствий

01.12.2020

Данные работы дают возможность обоснованно выбрать направления проведения изыскании способов борьбы с выбросами пород в шахтах.

Проектированию шахт должны предшествовать работы по региональному прогнозу выбросоопасности пород, изучению условий их залегания, свойств и структуры в различных частях шахтного поля. Это позволяет наметить рациональные места заложения полевых выработок и тем самым в определенной степени снизить необходимость применения активных методов борьбы с выбросами. Исходя из положения, что причинами выбросов являются высокие напряжения пород и их физико-механические свойства, основными путями по их предотвращению следует признать разработку мер по снижению напряжений и изменению физико-механических свойств песчаников. Разработка методов предупреждения выбросов не исключает необходимости исследовании, направленных на уменьшение их интенсивности. Они являются частью общих мероприятий по борьбе с выбросами породы. В настоящее, время отсутствует универсальный способ борьбы с выбросами, который мог бы оказаться пригодным для всех встречающихся в практике горно-геологических и горнотехнических условий.

К методам предотвращения выбросов, основанных на изменении физико-механических свойств массива горных пород, следует отнести его увлажнение. В связи с этим методы предупреждения выбросов породы разрабатываются в настоящее время в следующих направлениях:

1. Разгрузка массива горных пород от статических напряжений путем предварительной надработки угольного пласта над массивом или под ним; образованием разгрузочной щели по периметру выработки механическим способом и методом торпедирования массива на некотором расстоянии за проектным контуром; образованием разгрузочной горизонтальной или вертикальной щели по оси выработки.

2. Уменьшение упругих свойств массива горных пород путем увлажнения выбросоопасных пород водой или водой с поверхностно-активными веществами.

3. Проведение выработок с применением комбайнов с полусферическим органом, комбайнов с кольцевым режущим органом по периметру выработки.

Способы разгрузки массива горных пород прошли опытно-промышленную проверку и дали положительные результаты. Способ его разгрузки опережающей пластовой надработкой внедрен на шахте им. Поченкова производственного объединения Макеевуголь при проведении полевых штреков и конвейерных квершлагов по выбросоопасному песчанику на горизонтах 830 и 915 м. В результате широких промышленных исследований установлены параметры надежно защищенных зон от выбросов породы. Удаление забоя проводимой выработки от очистных работ опережающей пластовой надработки должно находиться в пределах зоны, ограниченной наклонными плоскостями, проходящими через кромку угольного забоя и составляющими соответственно с плоскостями напластования и падения пласта углы 45°. На протяжении более 3,5 км при пластовой надработке выбросов не наблюдалось.

Образование разгрузочной щели по периметру выработки механическим способом прошло опытно-промышленную проверку на шахте нм. Скочинского. Щели выбуривали установкой УЩ-1; изготовленной ЦНИИподземмашем по технико-экономическим требованиям, разработанным совместно с МакНИИ. Щель бурили на глубину 2—1,5 м. Длина, шпура составляла 1,7—1,2 м. Неснижаемый запас щели составлял 0,3 м. Выбросов пород при выбуривании щели по всему периметру выработки не наблюдалось. Данный способ можно применять для предупреждения выбросов породы при обеспечении нормативных темпов проведения выработок.

Способ разгрузки массива пород глубинным торпедированием можно применять при бурении скважин из параллельной выработки. Этот, способ проверен при проведении полевых бремсбергов на шахте нм. Скочинского. Забой конвейерного бремсберга 1 опережал забой людского ходка 2 на 70 м (рис. 73). Это дало возможность разработать и апробировать метод глубинного торпедирования, сущность которого заключалась в следующем. Скважины бурили из опережающей выработки (Sч = 15,9 м2) в зону проведения параллельной выработки (Sч = 10,6 м2).

Полевые бремсберги центральной панели проведены под угольным пластом в слое выбросоопасного песчаника. Проходка выполнена одной комплексной бригадой в трех забоях (вспомогательный бремсберг, конвейерный бремсберг, людской ходок).

Выбросы в людском ходке интенсивностью до 100 м3 происходят из почвы и боков выработки, что приводит к деформации постоянной металлической крепи на протяжении 5—10 м. Для предотвращения выбросов породы из почвы выработки торпедирующие скважины бурили из конвейерного бремсберга в зону проведения людского ходка (см. рис. 73). Скважины бурили станком СБВ-100 на глубину 27 м под углом. 20 по ходу выработки. В качестве бурового инструмента применяли шарошки Д-76. Скорость бурения скважин диаметром 76 м по песчанику с f=8-9 составляла 5—6 м/ч. Пять скважин было пробурено через 0,7 м и две — через 1,3 м. При ширине людского ходка вчерне 3,8 м принимали заряды длиной 6 м, чтобы расширить торпедированную зону за проектный контур, предотвратив выбросы породы с боков выработки. Удельный расход BB на 1 м составлял 2,75 кг. После заряжания скважины заполняли водой, выполняющей роль забойки.

Заряды аммонита скального № 1 инициировали двумя электродетонаторами мгновенного действия расположенными у устья скважины. В один прием взрывали по две скважины. Общая масса взрываемого заряда составляла 33 кг. После взрывов зарядов в устье скважин наблюдались отколы на глубину 0,15—0,3 м, однако выброс не развился. Забой людского ходка в этот период находился на расстоянии 12 м от верхней скважины. Отколов в забое не наблюдалось.

После взрыва зарядов торпедированную зону проверяли нагнетанием воды в одну из скважин, расположенных на расстоянии 0,7 м. Вытекание воды из рядом расположенных скважин свидетельствует о том, что между ними образовалась сомкнутая сеть трещин в глубине массива. Между скважинами, расположенными на расстоянии 1,3 м от сомкнутой сети, трещиноватости в массиве не образовалось. При нагнетании воды в одну из скважин истечения ее из рядом расположенных скважин не произошло.

Эффективность торпедирования массива горных пород оценивали после проведения выработки по этой зоне. При взрывании шпуровых зарядов по торпедированной зоне по действующему паспорту буровзрывных работ выбросов не было.

Возможные технологические схемы для разгрузки массива из параллельной выработки при проведении полевых бремсбергов приведены на рис. 74.

По выбросоопасным породам прошел предварительную опытно-промышленную проверку способ проведения выработок с применением комбайна ПКН-1 с диаметром керна 2 м. На основании полученных результатов ИГТМ АН Украины совместно с Ясиноватским машиностроительным заводом и МакНИИ был изготовлен и испытан комбайн "Ясиноватец-2" с двумя рабочими органами.

Промышленные испытания рабочего органа полусферической формы, разработанного по рекомендации ИГТМ АН Украины, выполнены в выработке сечением вчерне 10,8 м2. Было проведено 300 м выработки, и выбросов породы не наблюдалось. Следовательно, механизированное проведение выработок комбайнами может исключить выбросы породы.

Наряду с разработкой методов предупреждения выбросов породы проведены исследования по локализации выбросов по методам: переноса выработок в нее выбросоопасные слои пород; двойной проходки выработок; установки заградительных перемычек вблизи забоя; выбора параметров буровзрывных работ в зависимости от степени выбросоопасности пород и расположения выбросоопасного слоя песчаника в плоскости забоя.

Эффективность способов локализаций выбросов подтверждена опытом проведения полевых выработок по выбросоопасным песчаникам. Так, первоначально полевые бремсберги на шахте им. Скочинского были запроектированы в почве пласта h7 в крепких, но выбросоопасных песчануках на расcтоянии от него 10—15 м.

По рекомендации инженерно-технических работников треста Донецкшахтострой все наклонные выработки шахты были перенесены в верхние слои, выбросоопасного пласта песчаника с соблюдением минимального расстояния 5 м до выбросоопасного угольного пласта в соответствии с правилами безопасности. В результате выбросоопасный песчаник оказался расположенным в нижней части выработки и занимал по высоте 1—1,5 м. Частота, интенсивность выбросов и затраты на ликвидацию их последствий снизились в 2—3 раза, темпы проведения выработок увеличились с 15—20 до 30—35 м в месяц.

Способ двойной проходки предусматривает первоначальное проведение выработки площадью сечения 65% от проектной. Выработка поддерживается податливой крепью. После образования зоны пластических деформаций в течение двух-трех месяцев передовая выработка доводится до проектного сечения и в ней возводится постоянная крепь. При двойной проходке смещение массива вызывает нарушение пород в пределах участка между контурами передовой выработки и проектным. В процессе проходки выработки деформированные породы удаляются. Проектный контур, по предположению, остается ненарушенным.

Однако в связи с затруднениями технологического порядка (возведение временной и постоянной крепи, механизация бурения шпуров, ликвидация, последствий выбросов и ухудшение условий безопасности труда и т. д.) данный метод в шахтном строительстве не применяется.

Заградительные перемычки (с целью снижения интенсивности выбросов породы) применены в околоствольных выработках шахты им. Скочинского. Важным условием их применения является то, что они должны выдерживать динамическую нагрузку взрыва и нагрузку выброса начальной стадии. Перемычка должна быть достаточно прочной, податливой и сравнительно легко монтироваться и демонтироваться.

Экспериментальная проверка метода локализации выброса породы, предложенного МакНИИ, с помощью заградительных перемычек в комплексе с соответствующими параметрами буровзрывных работ подтвердила возможность снижения интенсивности выбросов породы.

Применение методов локализации выбросов породы не ликвидирует их полностью, что обусловливает непроизводительные затраты, так как полости выбросов распространяются за проектные контуры выработки. Для снижения денежных и трудовых затрат, увеличения темпов проведения горных выработок большое значение имеет совершенствование существующих и изыскание новых, более эффективных методов ликвидации последствий выбросов породы. Вопрос о ликвидации последствий выбросов угля никогда не ставился остро, так как затраты времени и рабочей силы в какой-то степени окупаются реализацией угля, добытого от выброса.

Полости выбросов породы образуются в основном за проектным контуром, в кровле, боках или почве выработок. При выбросах в кровле или боках для дальнейшего проведения выработки требуется ликвидация их последствий. Затраты, связанные с этим, зависят от интенсивности выброса, типа постоянной крепи и степени ее разрушения, материала, применяемого для закладочных работ, технологии работ по ликвидации последствий выбросов. Для увеличения темпов проведения выработок и сокращения убытков и сроков строительства шахт необходимо свести к минимуму потери времени и денежных средств на ликвидацию последствий выброса, выбрать соответствующие закладочные материалы и оборудование.

Для выбора методов ликвидации последствий выбросов породы, отличающихся интенсивностью, проведен анализ 600 выбросов и составлена классификация приведенная в табл. 41.

Исходя из производственного опыта работы по ликвидации последствий выбросов породы, предложена классификация, полнее отражающая количественное соотношение выбросов по интенсивности при проведении горизонтальных и наклонных выработок (табл. 42). Как видно из табл. 42, наибольшее число выбросов относится к средней интенсивности.

На стоимость работ по ликвидации последствий выбросов и темпы проведения горных выработок существенно влияют величина и характер причиненных выбросом разрушений, стоимость материала закладки и технология работ. Выбросы породы систематически происходят только в последние годы, поэтому данному, вопросу уделено еще недостаточно внимания.

В отечественном горнорудной промышленности куполы обрушений заполняют в основном бетонами. В качестве инертной добавки применяют коксовые шлаки и щебень. Больший опыт закладки полостей от выбросов при ликвидации их последствий накоплен на шахтах им. Скочинского и им. Поченкова. На шахте им. Скочинского и зависимости от интенсивности выброса применяют несколько методом. При выбросах породы из почвы выработки их последствия ликвидируют уборкой излишней породы и исправлением нарушенной и заменой деформиронной крепи. Самые сложные методы, вызывающие серьезные затруднения при ликвидации последствий выбросом, имеют место при распространении полости в кроплю. Технология выполнения этих работ зависит от ряда факторов: интенсивности выброса, характера причиненного им разрушения, типа постоянной и временной крепи и др. Полости микровыбросов и выбросов малой интенсивности с высотой купола от 0,5 до 3 м от кровли выработки закладывают породой от выброса или тампонируют после полной уборки породы от выброса и возведения постоянной крепи.

При большой интенсивности выбросов их последствия (ввиду большой опасности ведения горнопроходческих работ) ликвидируют при помощи тампонажа полости в кровле выработки из-за установленной перемычки (рис. 75). Затем выработку проводят позатампонированному участку отбойным молотком с возведением по мере подвигания забоя постоянной крепи. Однако описанные методы закладки куполов не свободны от недостатков: наблюдается расслоение раствора при подаче пневмобетоноукладчиком по трубам, в результате чего при проведении выработки по затампонированному участку материал высыпается в выработку.

В настоящее время применяют более прогрессивный метод закладки полостей, основанный на проведении выработки одновременно с тампонажными работами. После возведения металлической арочной крепи и установки опалубки устраивают защитную тампонажную песчано-цементную подушку в кровле выработки. В дальнейшем тампонажную закладку с легкими заполнителями выполняют по трубам через защитную подушку (рис. 76). Одновременно с тампонажной закладкой выполняют проходку выработки. Этот способ не требует возведения дополнительных перемычек и ведения проходки по затампонированному участку, что дает возможность не снижать темпы проведения выработки.

Для ликвидации последствии выбросов ВНИИОМШС предложил составы растворов и бетонов с легкими заполнителями — коксовым шлаком, вермикулитом.

Известный интерес представляет опыт закладки куполов обрушений на зарубежных шахтах.

На английских угольных шахтах за последние 15 лет произошли крупные аварии, связанные с обрушением кровли и образованием куполов высотой до 12 м. Kyполы закладывали легким бетоном, в котором в качестве добавки использовали коксовые шлаки. Бетон подавали в полость пневмобетоноукладчиком по трубе диаметром 150 мм при давлении сжатого воздуха 4,2—5,5 кгс/см2.

На других шахтах для заполнения пустот использовали цемент, плотные бетоны, песок и породу. Применяли также и пористый бетон состава 1:4 на основе коксового шлака.

В последнее время в Англии в качестве закладочного материала широко применяют пористые бетоны на основе вермикулитов и коксовых шлаков. Пористые бетоны изготовляют, как правило, в шахте. Вермикулиты имеют сходство по строению со слюдой и являются группой гидратов слоистых минералов типа алюмо-железисто-магниевых силикатов. Плотность пористого бетона, изготовленного путем смешивания цемента, песка, вермикулита и необходимого количества воды, 320—800 кг/м3. Пористые бетоны, на основе коксовых шлаков, применяемые при заполнении полостей, примерно в 10 раз дешевле бетона с заполнением вермикулита и по своим качествам мало уступают им.

Бетоны со шлаковыми заполнителями применяют при закладке полостей обрушений в США. В ЮАР для заполнения полостей также применяют пористые бетоны на основе вермикулита. На шахте «Шарль» (угольный бассейн Луара, Франция) в качестве закладочного материала используют хвосты флотаций обогатительных фабрик крупностью частиц до 40 мм и дробленую породу из карьера, размельченную до крупности 200—300 мм в дробилке, установленной на поверхности. На шахтах Бельгии закладочный материал на 20% состоит из хвостов обогащения крупностью 8 мм и на 80% — из хвостов обогащения крупностью 8—70 мм. На шахтах в странах континентальной Европы песок в чистом виде в качестве закладочного материала не применяют, так как он слишком тяжел и на подачу его требуется большое количество сжатого воздуха.

Материал для закладки полостей при ликвидации последствий выбросов должны удовлетворять следующим требованиям: после подачи в полость увеличиваться в объеме в несколько раз; быстро твердеть быть достаточно податливым; препятствовать скоплению газов в полости; легко транспортироваться, приготавливаться и применяться на месте производства работ; должны быть водоустойчивы; полость необходимо закладывать без присутствия людей, т. е. должны соблюдаться требования правил безопасности.

Перечисленные выше закладочные материалы, применяемые как в отечественной практике, так и зарубежом, не удовлетворяют всем этим требованиям.

На угольных шахтах ФРГ в последнее время широко применяют полиуритановую пену, которая образуется при смешивании двух жидких компонентов — полиола и полизиционата. В течение нескольких секунд после экзотермической химической реакции, которая происходит после соединения этих компонентов, объем пены увеличивается в 30 раз. Полиуритановая пена эластична и податлива, состоит из мельчайших пор, которые не соединяются друг с другом, образуя отдельные ячейки, вследствие чего проникновение газа и воды через пену исключается.

Прочность полиуритановой пены достигает 50 кгс/см2 в зависимости от соотношения компонентов. Стоимость 1 кг исходных материалов для получения пенопласта колеблется от 0,6 до 2,2 руб. в зависимости от состава компонентов и степени их токсичности. Стоимость 1 м3 готового пенопласта 20—73 руб., 1 м3 песчано-цементного раствора (1:3)—49—58 руб. Если расширить область применения полиуритановой пены в шахтах, стоимость ее резко снизится.

В настоящее время проводятся экспериментальные работы по применению полиуритановой или ей подобной пены в шахтах (для теплоизоляции выработок, возведения различных перемычек, изоляции пожаров, нанесения на породу для предотвращения отслоения и образования трещин, покрытии трубопроводов с целью их изоляции). ДопУГИ ведет работы по применению полиуритановой пены на угольных шахтах Донбасса. Жесткая полиуритановая пена образуется для смешивания двух компонентов: диуретандуэтилен-гликоля и полиэфирной смеси. При проведении этих работ ДонУГИ совместно с Московским центральным институтом усовершенствования врачей установили, что токсичность представляла опасность только в момент напыления в непосредственной близости от этого места.

Центральной научно-исследовательской лабораторией по горноспасательному делу ВГСЧ (г. Донецк) установлено, что полиуритановые пены являются трудносгораемым материалом. В ДонУГИ создана и испытала. машина MHШ-1, применяемая для напыления пенополиуританов новой рецептуры с малой токсичностью и обеспечивающая получение качественного пенопласта.

На основании обобщения зарубежного и отечественного опыта работ можно сделать вывод, что полиуритановая пена удовлетворяет основным требованиям, предъявленным к закладочным материалам для заполнения полостей при ликвидации последствий выбросов породы. Применение полиуритановой или ей подобной пены вместо других закладочных материалов, в частности вместо песчано-цементного раствора, позволит значительно сократить расходы времени и денежных средств, ускорить проведение выработок, повысить безопасность труда.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна