Введение к работе
Доклад по опубликованным в 1977-(995 гг. работам автора посвящен обобщению результатов теоретических и экспериментальных исследований, опытно-промышленных работ для решения проблемы упрочнения трещиноватых пород с целью повышения устойчивости горных выработок при разработке угольных пластов в сложных горно-геологических условиях.
Актуальность проблемы. Увеличение объемов подземной добычи угля на современных шахтах приводит к отработке пластов на больших глубинах, в условиях сложных горно-геологичесигх нарушений: ложной и неустойчивой обрушакнцейся непосредственной кровли, перемятых пачек угля, сложной гипсометрии и переменной мощности пластов. На мощных пластах происходит отжим угля, сопровождаемый вывалами и глубинными купол ообразованиями.
Обрушения пород в призабойное пространство обуславливает не только резкое падение добычи (на 20-60%), повышение зольности добываемого угля (на 3-6%) из-за засорения его высыпающейся из кровли породой, но и возрастанию расхода лесных материалов (на 8-Ю м3 на 1000 т угля) для закладки образующихся в кровле куполов, резкому повышению опасности травматизма горнорабочих. Проведенный ВНИМИ анализ показал, что на шахтах угольной промышленности СНГ свыше 800 очистных забоев, в том числе свыше 400 - комплексно-механизированных, работают с неустойчивыми породами кровли, что приводит к ежегодным потерям добычи угля до 10 млн. т.
Применение физико-химического упрочнения горных пород позволяет, кроме повышения объемов добычи, снижения зольности угля и уменьшения травматизма горнорабочих, предупреждать аварийные ситуации в забое из-за обрушений пород крогаш и боков выработки; сохраігять геометршо (конфигурацию) кровли, создаїиш этим режимы работы крепи в стандартных условиях и сокращая
И|х>с№і( мсхашізиіюішнньїх комплексов; уменьшать трудоемкость работ па концевых операциях за счет ликвидации излишних аварийных обіч:мои работ; улучшал, условия поддержания штреков, особенно при их повторном использовании; экономить крепежные материалы.
Таким образом, разработка и реализация способов физико-химического упрочнения сорных пород на угольных шахтах является актуальной научной проблемой, имеющей народнохозяйственное значение.
Целью диссертации является научно-техническое обоснование, промышленная апробация и внедрение физико-химических способов упрочнения неустойчивых, трещиноватых пород и пластов для повышения несущей способности и устойчивости горных пмработок.
Идея .работы заключается в установлении закономерностей адгезионного взаимодействия разработанных скрепляющих составов с различными видами нарушенных трещинами горных пород для обоснования рациональных и экономичных способов физико-химического упрочнения углепородных массивов.
Методы исследовании. Для достижения намеченной цели использован комплексный научный метод, включающий анализ и обобщение опыта упрочнения слабых вмещающих пород и пластов, ісотсхннчсскис обоснования и аналитические исследования напряженного состояния нарушенных трещинами пород непосредственных кровель до и после физико-химического упрочнения; лабораторные исследования, стендовые и шахтные испытания разработанных скрепляющих составов, технических средств их нагнетания и контроля качества упрочнения пород; промышленной апробации технологических схем физико-химического упрочнения углепородных массивов.
Па защиту выносятся:
метод оценки напряженного состояния трещиноватых пород очистных забоев, упрочненных скрепляющими составами, учитывающий анизотропию пород, воздействие механизированной крени и основной кровли;
«опенка необходимой и достаточннй мощности упрочнения трещиноватых пород непосредственной кровли очистного забоя по слою их насыщения скрепляющими составами (1...1,2) м;
математическая модель оптимизируемой системы в виде функции параметров технологии упрочнения пород очистных забоев;
критерии выбора скрепляющих составов,определяемые с учетом свойств, характера разрушения горных пород, (разового состояния, ПДК и безопасности составов;
методы и средства контроля качества упрочнения пород;
«обработанные методами математической статистики и теории надежности результаты внедрения технологии упрочнения пород непосредственных кровель очистных забоев на шахтах Донбасса.
Обоснованность и достоверность выполненных исследований, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием апробированных методов теории упругости, химии высокомолекулярных соединений, ядерного магнитного резонанса, теории надежности, математической статистики; достаточной корреляцией данных (12%); положительными результатами лабораторных и шахтных испытаний магнезиальных, полиуретановых и карбамидньгх скрепляющих составов для упрочнения пород; эффективностью внедрения результатов работа!.
Научная новизна работы заключается в следующем:
«разработан метод оценки напряженного состояния упрочненной скрепляющими составами непосредственной кроили очистного забоя с учетом анизотропной структуры пород, воздействия механизированной крепи и основной кровли;
составлена математическая модель решения задачи оптимизации параметров упрочнения трещиноватых пород кровли очистных выработок, основанная на учете основных экономических факторов, определяющих эффективность процесса физико-химического упрочнения;
«разработаны и обоснованы методы и средства контроля качества упрочнения трещиноватых массивов пород;
«разработана и апробирована основанная на теории надежности и математической статистики методика обработхн результатов внедрения технологии упрочнения пород в очистных забоях шахт.
Практическая значимость и реализация результатов иссле-дований. Решен комплекс задач, связанных с применением, созданием и организацией промышленного производства средств
химического упрочнения неустойчивых горных пород и аппаратуры для контроля качества упрочнения.'
Разработанные на основе физико-химических процессов технолоппсскне схемы упрочнения пород полиуретаном и магнезиальными составами внедрялись более чем в 50 очистных забоях шахт ежегодно; на 6-7 шахтах ежегодно производится упрочнение пород иодгоговитсльных выработок; разработано и серийно выпускается нагнетательное оборудование (по 20-30 комплектов в год) и аппаратура для контроля качества упрочнения пород (по 10-20 комплектов в гол).
Результаті,! выполненных исследований легли в основу разработанных при участии и по результатам работ автора отраслевых методических руководств по упрочнению неустойчивых горных пород полиуретаном, магнезиальными составами, карбамидными смолами, химическим анкерованисм.
Экономическая эффективность работы, Фактический экономический эффект от внедрения технологии физико-химического упрочнения неустойчивых горных пород очистных и подготовительных забоев на шахтах Донбасса, Кузбасса и Караганды за период 1984-1991 тт. превысила 19 млн.руб. (в ценах до 1990 г.). Прирост добычи достигал 2,5...3 мли.т угля в год.
Апробация работы. Результаты проведенных исследований и
их реализация в угольной промышленности докладывались на:
всесоюзных научно-технических конференциях "Физико-
химические воздействия на горный массив" (Днепропетровск,
1977), "Проблемы эффективного применения пластмасс в на
родном хозяйстве" (Москва, 1978), "Состояние и основные на
правления совершенствования способов управления горным
давлением" (Новосибирск, 1980), "Проблемы разработки мощных
пологих и наклонных угольных пластов подземным способом"
( Кяраганля, 1984), всесоюзном ( Москва, ВДНХ, 1985), республи
канском ( Донецк, 1985) и отраслевом (Караганда, 1986) научно-
технических семинарах; заседаниях временных научно-технических
комиссий быв. ГКИТ СССР по проблеме химического уттроч-
нгння пород (1985, 1986), заседаниях Ученого совета
ИГД им.ЛАСкочннского (Люберцы, 1978, 1982, 1986); международном научно-техническом совещании по физико-химическому упрочнению пород (ЧССР, Острава, 1979); международном симпозиуме по механике горных пород и управлению массивом (КНР, Пекин, 1995), технических совещаниях в быв. Совмине, Госплане ,
Минуглепроме, Минхимпроме, Гостехнадзоре СССР, производет-венных объединениях, шахтах, специализированных унрашіениях. . Публикации. Результаты проведенных исследований, опытно-промышленных работ и внедрения в производство, включающие основные научные положения , выводы и рекоменланнн автора, содержатся в 67 опубликованных работах, из которых 4-1 помещены в списке опубликованных работ. Публикации включают книги, брошюры, научные статьи, тезисы докладов на научно-технических конференциях, авторские свидетельства. Наиболее полно содержание диссертации отражено в монографии "Технология физико-химического упрочнения горных пород" (І).