Способ определения степени упрочнения малоустойчивой кровли горных выработок Советский патент 1992 года по МПК E21D11/00 E21D20/00 

Изобретение относится к горному делу, в частности к способам физико-химического упрочнения пластов с неустойчивыми кровлями.

Известен способ упрочнения горного массива (авт.св. СССР № 1357588, кл. Е 21 F 5/00), заключающийся в бурении скважин, их герметизации и нагнетании синтетических смол, отвердителей и пластификаторов.

Однако контроль качества укрепления массива в конкретных горно-геологических условиях невозможен.

Известен также способ предотвращения выбросов угля и газа (авт.св. № 1222851, кл. Е 21 F 5/00), включающий бурение скважин и нагнетание в них в два этапа вначале раствора лигносульфонатов, а затем известковой суспензии . Контроль качества скрепления проводят в лабораторных условиях, исследуя пластификацию угля при его пропитке различными количествами раствора по отношению модуля спада к модулю упругости. Однако при этом не учитывают конк- ретных горно-геологических условий обрабатываемых пластов, которые оказывают существенное влияние на сроки формирования оптимальных свойств скрепления горных пород.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому решению является способ определения степени упрочнения малоустойчивой кровли (Обзор. Физико-химическое воздействие на массивы горных пород и угля. Вып. 1,М. ЦВИЭИугль. 1982, с. 5-6),

включающий отбор проб буровой мелочи, определение процентного содержания свя- зующего состава и определение коэффициента вывалообразования после укрепления пород.

Недостатком данного способа является то, что он не позволяет контролировать во времени прочностные и деформационные свойства скрепленного массива и не учитывает многих факторов (влажность породы и окружающей среды, трещиноватость, температура и т.д.), в реальных условиях суще- ственно влияющие на упрочнения.

Целью предлагаемого технического решения является повышение точности определения времени формирования оптимальных свойств упрочненной кровли в конкретных горно-геологических условиях.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения степени упрочнения малоустойчивой кровли горных выработок, включающем отбор и исследование проб породы со скрепляющим составом на основе карбамидно-формальдегидной смолы, пробы измельчают, прописывают спектр на установке ЯМР, определяют интенсивность узкой и широкой линий спектра ЯМР и оп- ределяют оптимальность степени упрочнения пород по соотношению

0,3

J2.

И

0,8,

где И - интенсивность узкой линии спектра ЯМР;

l2 интенсивность широкой линии спек- тра ЯМР.

Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается от известного тем, что пробы со скрепляющим соста- вом измельчают, прописывают спектр на установке ЯМР, определяют интенсивность узкой и широкой линий спектра ЯМР и определяют оптимальность степени упрочнения пород по соотношению:

0,3 -р 0,8,

где Н - интенсивность узкой линии спектра ЯМР;

2 - интенсивность широкой линии спектра ЯМР.

5

10 15

0

5 0

5

0

5 0

Таким образом предлагаемый способ соответствует критерию изобретения новизна.

Сравнение предлагаемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию существенные отличия.

В настоящее время число комплексно- механизированных очистных забоев в угледобывающей отрасли неуклонно растет. Однако добыча угля из них не только не увеличивается, но даже несколько снижается. Основной причиной тому - переход на большие глубины и усложнение горно-геологических условий. С ростом горного давления все более прочные породы кровли угольных пластов теряют устойчивость. Выемка угля сопровождается обрушением кровли.

На сегодняшний день в отрасли разрабатывается более 600 шахтопластов с неустойчивыми кровлями, в результате чего ежегодно теряется около 15 млн тонн угля. Крепление и поддержание кровли подготовительных, а в ряде случаев и капитальных выработок является наиболее узким местом в общем комплексе горнопроходческих работ. Трудоемкость укрепления доходит до 50% общих затрат на проведение выработки.

Одним из эффективных способов повышения устойчивости пород кровли угольных пластов является способ, включающий бурение скважин и нагнетание в них растворов твердеющих веществ, например, карбамидно-формальдегидной смолы (КФ), Смолы КФ хорошо обеспечены сырьевой базой, обладают низкой стоимостью. Они пожаро- и взры- вобезопасны.Карбамидно-формальдегидная смола содержит аминогруппу R-NH2 (карбамид) с альдегидами R-CH (формальдегид). Отверждение смолы происходит при протекании реакции гголиконденсации под действием кислотных растворов (ортофосфорной или щавелевой кислоты). Образуются разветвленные и сшитые цепочки карбамидной смолы

-NH-CO-N-CH2-NH-CO-Ni i

CN

СН2ОН

Изобретение относится к горному делу, в частности к способам физико-химического упрочнения пластов с неустойчивыми кровлями. Цель изобретения - повышение точности определения времени формирования оптимальных свойств упрочненной кровли для проведения горных работ. Способ упрочнения малоустойчивой кровли горных выработок включает бурение скважин в кровлю, их герметизацию и нагнетание скрепляющего состава. После отверждения скрепляющего состава отбирают пробы породы со скрепляющим составом, прописывают спектр на установке ядерного магнитного резонанса (ЯМР), определяют интенсивности узкой и широкой линий спектра и по их отношению судят о свойствах упрочненной породы. Причем, при использовании в качестве скрепляющего состава карбамидно-формальдегидной смолы свойства упрочненной породы считают оптимальными для проведения горных работ 2 при 0,3 -т- 0,8, где И - интенсивность узкой линии спектра ЯМР; 2 - интенсивность широкой линии спектра ЯМР.

В цепи мономеры (элементарные моле- кулы) соединяются между собой прочными

химическими связями длиной 1-1,5 А, а между цепями - значительно более слабыми молекулярными связями длиной 3-4 А. Благодаря цепочному строению полимерная молекула способна к гибкой деформации. Длинная, многократно изогнутая молекула способна распрямиться за счет гибкости цепей без ее разрывов.

По мере отверждения смолы КФ происходит увеличение прочности состава и уменьшение ее пластических свойств.

Чтобы установить корреляцию между фазовым состоянием смолы КФ и ее прочностными и деформационными свойствами, параллельно исследованию фазового состояния КФ методом ЯМР исследовались прочностные и деформационные свойства смолы на установке неравнокомпонентного трехосного сжатия (УНТС).

Установка УНТС позволяет по трем осям независимо создавать нагрузку от 0 до 500 МПа. Абсолютные деформации образцов при этом регистрируют с помощью индикаторов часового типа, установленных на нажимных плитах УНТС. Для получения информации о поведении горных пород и скрепляющих смол КФ в объемном нерав- нокомпонентном поле сжимающих напряжений, соответствующем реальному в массиве, испытания проводились для различных уровней минимального сжимающего нэп ряжения оз : оз 0; 5; 10 и 20 МПа, т.е. моделировалось постепенное углубление в кровлю. Для конкретного задавались виды напряженного состояния, характеризуемые параметром Надаи-Лоде/га, от обобщенного сжатия (/47 -1) до обобщенного растяжения (jua + 1) с интервалом 0,2.

Фазовое состояние смолы КФ, контролируемое на установке ядерного магнитного резонанса, показало следующее. На первые и вторые сутки с момента отверждения смолы форма линии спектров простая, состоящая из одной резонансной линии с интенсивностью И, ширина линий минимальна, что говорит о большой подвижности молекул. Это объясняется тем, что в начале отверждения происходит сшивание небольших линейных молекул, из которых состоит неотвержденная смола, в длинные линейные цепи. Проведенные исследования на установке неравнокомпонентного трехосного сжатия (УНТС) показали, что в это время отверждения смола имеет большую пластичность (деформации до 15%) и прочность, которая в дальнейшем возрастает постепенно. Затем, кроме узкой линии, появляется вторая, более широкая линия небольшой интенсивности (te). Это обусловлено тем, что в смоле начался процесс образования поперечных связей между линейными цепями и смола представляет собой двухфазную систему, в которой каждая фаза

характеризуется разной подвижностью. Прочность в это время достигает максимальной величины, а смола еще достаточно эластична (деформации до 8%) и, следовательно, состав приобретает оптимальные

0 прочностные и деформационные свойства. Через некоторое время (при комнатных условиях на четвертые сутки) происходит резкое возрастание интенсивности широкой линии, т.е. образуется большое количество

5 поперечных связей, а количество молекул в подвижной фазе резко уменьшается. Прочность состава no-прежнему максимальна, но деформации уменьшаются до 2%, т.е. происходит его охрупчивание, а, следова0 тельно, проведение горных работ в эти сроки становится небезопасно.

Однако с увеличением влажности порог ды и окружающей среды процесс отвержде1 ния замедляется. А это значит, что

5 оптимальные условия для разработки пластов, обработанных смолой КФ, наступают позже. То есть в каждом конкретном случае эти сроки определяются по изменению отношения интенсивностей узкой и широкой

0 линий спектров ЯМР.

Таким образом метод ЯМР в сочетании с методами механики деформируемого твердого тела позволяет оценить эффективность упрочнения смолами КФ горных по5 род.

Предлагаемый способ упрочнения малоустойчивой кровли горных выработок реализован следующим образом.

Для распределения связующего соста0 ва по трещинам в зонах нарушения пород кровли были пробурены шпуры под углом 10-20° к напластованию буровыми станками типа БС-1М, БС-1.Д; электро- или пнев- мосверлами типов СЭР-19М, СР-4. После

5 этого шпуры герметизировались специальными герметизаторами, В .шпуры введен лабиринтный статистический смеситель, к которому присоединены высоконапорные шланги для подачи состава. Подача

0 состава осуществлялась под давлением по двухкомпонентной схеме. Использована установка типа УНВ-2. Плунжерная камера насоса перегорожена на две (одна камера состоит из двух плунжеров, другая - из од5 ного). Двухплунжерная камера используется для нагнетания смолы, одноплунжерная -для нагнетания раствора отвердителя (соотношение 2:1). Емкости с компонентами состава были размещены вблизи нагнетательной установки. Смешивание компонент

производилось уже в шпуре перед поступлением в трещины.

После отверждения состава каждые сутки из контрольных шпуров, пробуренных между рабочими шпурами, отбирали пробы пород/упрочненных скрепляющими составами, и в герметичных пробирках доставляли в лабораторию, где на установке ЯМР прописывали спектры этих проб. Определили интенсивность узкой И и широкой 2 линий полученных спектров ЯМР. В тот момент, когда для отношения 2 к И выполнялось условие:

0,

0,8,

упрочненные породы имели оптимальные для разработки пласта свойства. В это время начали проведение горных работ на данном угольном пласте. Упрочненная порода кровли при этом не обрушилась. В связи с тем, что оптимальные свойства у упрочненных пород существуют не более 2-х суток и их наступление существенно изменяет ся во времени в зависимости от влажности породы и воздуха, предложенный способ упрочнения кровли дает возможность точно указать, в какое время можно начинать разрабатывание упрочненных пластов за счет повышения точности определения времени

0

5

0

формирования оптимальных свойств скрепленных пород в конкретных горно-геологических условиях и в оптимальные сроки провести горные работы, что непосредственно связано с повышением безопасности труда шахтеров.

Формула изобретения

Способ определения степени упрочнения малоустойчивой кровли горных выработок, включающий отбор и исследование проб породы со скрепляющим составом на основе карбамидно-формальдегидной смолы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения времени формирования оптимальных свойств упрочненной кровли для проведения горных работ, пробу породы со скрепляющим составом измельчают, прописывают спектр на установке ядерного магнитного резонанса (ЯМР), определяют интенсивности узкой и широкой линий спектра ЯМР и определяют степень упрочнения по соотношению:

25

0,3 -г 0,8,

где И - интенсивность узкой линии спектра ЯМР;

2 - интенсивность широкой линии спектра ЯМР.