СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ ШАХТНЫХ ПЕРЕМЫЧЕК
MINE CONNECTORS CONSTRUCTION METHOD

Изобретение относится к области подземной разработки полезных ископаемых и может быть использовано для оперативной изоляции горных выработок при отсутствии электроэнергии.
Известен способ возведения шахтных перемычек, описанный в устройстве (патент РФ на изобретение №2190100, опубл. 27.09.2002), заключающийся в возведении опалубки из нескольких рядов сетки из металлических стержней, соединенных с помощью анкеров с вмещающими выработку породами, заполнении межопалубочного пространства между рядами сетки мешками с сыпучим материалом, например, с песком. При этом вертикальные и горизонтальные стержни в соседних рядах опалубки смонтированы со смещением на половину расстояния между ними. Недостатком способа является необходимость применения дополнительных технологических операций, в том числе, требующих для своего выполнения наличия электроэнергии: бурения, монтажа стержней и анкеров, технического обслуживания технологического оборудования и его доставку, что повышает общие затраты времени на сооружение шахтной перемычки в условиях отсутствии электроэнергии. При этом, в качестве наполнителя мешков применен песок, обладающий высокой пористостью, а мешки при укладке обязательно образуют полости, каналы и адгезионно не связаны между собой и по контуру перемычки, что снижает надежность шахтных перемычек.
Известен способ безопалубочного возведения шахтных перемычек (патент на полезную модель РФ №60138, опубл. 10.01.2007), заключающийся в укладке мешков из влагопроницаемого материала с клапанами для ввода в них наполнителя в виде цементного раствора в начальной стадии твердения. При этом мешки с наполнителем могут быть уложены с образованием между ними сообщающихся или изолированных друг от друга полостей, которые после их образования заполняют быстротвердеющими смесями. При этом, в связи со сжатием, наполнитель проходит через стенки мешков, заполняет зазоры между ними и препятствует фильтрации воздуха. Недостатком способа является необходимость применения дополнительных технологических операций, в том числе, требующих для своего выполнения наличия электроэнергии: доставку и запуск смесительного и нагнетательного оборудования, механическое перемешивание цементного раствора, его нагнетание и транспортирование по рукавам к месту возведения перемычки, заполнение мешков через клапаны, последующий демонтаж рукавов, промывку оборудования водой от остатков цементного раствора, текущее техническое обслуживание оборудования, а также, наличие дополнительных операций по последующему заполнению полостей между мешками и контуром горной выработки быстротвердеющими смесями, которые также необходимо приготовить, доставить и подать в конкретный участок перемычки. Указанное повышает общие затраты времени на сооружение шахтной перемычки в условиях отсутствии электроэнергии. При этом, применение влагопроницаемого материала в виде мешковины или тканого полипропилена, как известно, за счет высокой плотности плетения способствует в основном отфильтровыванию жидкой фазы цементных растворов, которая размывает зону контакта между мешками. При возведении шахтной перемычки сжатие мешков из влагопроницаемого материала, заполненных цементным раствором в начальной стадии твердения, происходит в основном в вертикальной плоскости. Указанное приводит к перераспределению цементного раствора в горизонтальной плоскости, к боковой поверхности мешка, что приводит к ее растяжению с частичным неконтролируемым раскрытием плетения в локальных зонах. При этом возможен проход только незначительной порции цементного раствора исходного состава, не обеспечивающей полноту заполнения зазоров между мешками. Дополнительное последующее заполнение образованных между мешками сообщающихся или изолированных друг от друга полостей быстротвердеющими смесями, процесс которого не описан в патенте, также не гарантирует полного контакта, например: в случае наружного оштукатуривания остаются внутренние полости; в случае инъекционного заполнения или последующей послойной закладки быстротвердеющей смеси в полости перед укладкой следующего ряда происходит размывание зон контакта отфильтровывающейся из мешков водой, оставляя внутренние полости. При этом очевидна очень низкая адгезия или ее полное отсутствие между мешками, мешками и контуром изолируемой горной выработки. Соответственно, при реализации способа образуются полости, каналы или участки с адгезионно ослабленными связями, что снижает надежность шахтных перемычек.
Известен способ возведения шахтных перемычек (а/с СССР №883522, опубл. 23.11.1981 - прототип) в горизонтальных и наклонных выработках, включающий размещение нескольких рядов емкостей из эластичного фильтрующего материала, например, стеклоткани, в месте возведения перемычки и нагнетания в них быстросхватывающейся твердеющей смеси, например, цементного раствора или бетона с добавками, которую нагнетают сначала в емкости нижнего ряда, а емкости каждого вышележащего ряда заполняют той же смесью после схватывания твердеющей смеси в емкостях нижележащего ряда, причем общее сечение укладываемых емкостей принимают большим, чем сечение выработки. Недостатком способа является необходимость применения дополнительных технологических операций, в том числе, требующих для своего выполнения наличия электроэнергии: доставку и запуск смесительного и нагнетательного оборудования, механическое перемешивание быстросхватывающейся твердеющей смеси, ее нагнетание и транспортирование по бетоноводу к месту возведения перемычки, заполнение мешков через патрубки, демонтаж бетоновода, промывку оборудования водой от остатков быстросхватывающейся твердеющей смеси, текущее техническое обслуживание оборудования. Указанное повышает общие затраты времени на сооружение шахтной перемычки в условиях отсутствии электроэнергии. При этом, для повышения надежности шахтной перемычки, обеспечения только сцепления мешков с контуром перекрываемой горной выработки недостаточно - необходимо наличие адгезии материала, что отражено в действующих нормативных документах по изоляции горных выработок (например, «Инструкция по изоляции неиспользуемых горных выработок и выработанных пространств в угольных шахтах»). Также, в рассматриваемом способе частичная адгезия между емкостями возможна, учитывая, что «часть раствора из заполненной емкости просачивается через фильтрующий материал и заполняет все пустоты». Однако, процесс просачивания характеризует только общее фильтрационное движение (фильтрацию) через эластичный фильтрующий материал части быстросхватывающейся твердеющей смеси неизменного полифракционного состава и не учитывает процесс отфильтровывания, при котором происходит разделение смеси с выделением более мелкой фракции. При этом очевидно и известно, что при прочих равных условиях, более жидкий цементный раствор с более крупной фракцией частиц имеет более низкую адгезионную прочность по сравнению с более густым и мелкодисперсным за счет меньших плотности, площади поверхности частиц и их химической активности, наличия избыточной для процесса гидратации воды. Также, в рассматриваемом способе конечная адгезионная прочность между емкостями при прочих равных условиях будет ниже, так как емкости каждого вышележащего ряда заполняют той же быстросхватывающейся твердеющей смесью только после схватывания быстросхватывающейся твердеющей смеси в емкостях нижележащего ряда. При этом, на наружной поверхности быстросхватывающейся твердеющей смеси происходит образование известных «холодных швов», нарушающих качество адгезионной связи емкостей между собой. Соответственно, при реализации способа образуются полости, каналы или участки с адгезионно ослабленными связями, что снижает надежность шахтных перемычек.
Техническим результатом изобретения является повышение скорости возведения и надежности шахтных перемычек в условиях отсутствия электроэнергии.
Способ осуществляют следующим образом.
Во время ЧС при ликвидации аварии, например, локализации пожара и ликвидации его последствий в угольной шахте, в определенное планом мероприятий место горной выработки техническими средствами доставляют материалы и оборудование для специалистов МЧС (горноспасателей). Далее, в условиях отсутствия электроэнергии необходимые материалы и оборудование, в том числе упакованные емкости, заполненные сухой быстротвердеющей смесью и тару для воды объемом, например, 100 л, горноспасатели в ручном режиме доставляют к месту возведения шахтной перемычки и складируют. Для создания быстротвердеющей смеси могут быть использованы, например, следующие материалы: портландцемент марки М500, золошлаковые отходы ТЭЦ, другие минеральные наполнители, известные добавки стабилизаторы и ускорители схватывания цементов.
Емкости для быстротвердеющей смеси изготовлены из эластичного фильтрующего материала, например, полимерной сетки с мелкой ячейкой, которая обладает эластичностью, достаточной для плотного полного прилегания емкостей друг к другу в процессе их укладки; прочностью, достаточной для переноса емкостей при доставке и укладке, и, выдерживания нагрузки от веса вышележащих рядов; фильтрационными свойствами, достаточными для удерживания без существенных просыпаний сухой быстротвердеющей смеси и пропуска воды внутрь емкости для ее затворения, а также, создания фильтрующей среды для отфильтровывания фракций частиц быстротвердеющей смеси.
В тару организуют непрерывный подвод воды из водопровода, например, пожарного. Производят оборку горной выработки от отслоившихся и легко обрушаемых горных пород.
Далее, производят укладку емкостей в месте возведения перемычки до полного перекрытия горной выработки, например, рядную. При этом, каждую емкость, заполненную сухой быстротвердеющей смесью, для ее затворения пропитывают водой в процессе укладки, например, путем пролива водой из водопровода или погружения в подготовленную тару с водой. В процессе укладки в месте возведения перемычки емкостей происходит их перемещение, сопровождаемое перекомпоновкой внутренней структуры быстротвердеющей смеси, что активизирует процесс ее смачивания внутри емкости.
Рассматриваемые быстротвердеющие смеси сохраняют максимальную подвижность именно до начала процесса схватывания (твердения, начальной стадии гидратации). Укладка емкостей из эластичного фильтрующего материала, произведенная до начала процесса схватывания быстротвердеющей смеси нижележащего ряда, обеспечивает при их взаимной деформации максимальные контакт и плотность прилегания друг к другу и контуру изолируемой горной выработки.
Укладку каждого вышележащего ряда емкостей производят от дальнего ряда (в направлении от тыльной к фронтальной части перемычки), что является наиболее рациональной схемой, обеспечивающей доступ к наиболее удаленному участку, особенно под кровлей горной выработки. Если вверху, под кровлей горной выработки, остается негабаритный просвет, то его заполняют емкостями, частично опорожненными от быстротвердеющей смеси до нужного объема. При этом, в любом варианте, на стыках обязательно образуются пустоты (полости, каналы) между емкостями, которые необходимо заполнить быстротвердеющей смесью для создания структурной связи между емкостями, емкостями и контуром горной выработки.
2
В процессе пропитывания через эластичный фильтрующий материал водой емкостей с сухой быстротвердеющей смесью происходит полное насыщение ее макро-порового пространства, происходит быстрая адсорбция части молекул HO на поверхности частиц (минеральных зерен), часть воды остается в несвязанном состоянии. Соответственно, в процессе гидратации образуются гидратные новообразования, создающие экранирующие пленки, почти полностью временно прекращающие взаимодействие вяжущего с водой (индукционный период), после которого начинается процесс схватывания быстротвердеющей смеси. До начала процесса схватывания быстротвердеющая смесь сохраняется в состоянии структурированной тиксотропной системы - водо-твердой суспензии.
Сразу после укладки в емкостях происходит стабилизация внутренней структуры быстротвердеющей смеси, происходит естественное отфильтровывание основного объема несвязанной воды и ее фильтрационное движение под действием сил сжатия вышележащими рядами емкостей и гравитации, снижая значение водо-твердого соотношения. При полифракционном составе быстротвердеющей смеси формируется иерархическая пористая стабильная структура из крупных частиц, между которыми находится более мелкая фракция, что практически сохраняет объем каждой емкости неизменным в процессе возведения шахтной перемычки. Фильтрационное движение несвязанной воды сопровождается формированием магистральных каналов миграции, в которых происходит гидротранспорт более мелкой фракции частиц - формируются более подвижные микропотоки супензии с меньшей, чем в объеме емкости концентрацией частиц быстротвердеющей смеси. При этом, наиболее крупными порами являются ячейки эластичного фильтрующего материала, которые в процессе кольматации устьев формируют внутренний отфильтровывающий слой, при прохождении которого из суспензии отфильтровывывается более мелкая фракция быстротвердеющей смеси. Таким образом, отфильтрованная фракция частиц быстротвердеющей смеси выносится за пределы емкости, заполняет образованные при укладке пустоты между емкостями и частично проникает в емкости нижележащего ряда, формируя концентрированный соединительный слой. Учитывая, что укладка емкостей производится до начала процесса схватывания быстротвердеющей смеси, обеспечивается их высокая адгезионная прочность. Также известно [Невилль A.M. Свойства бетона / перевод с англ. под редакцией д.т.н. Ф.М. Иванова. Изд-во лит. по строительству. М - 1972, 344 с.; Ю.М. Бутт, В.В. Тимашев. Портландцемент/ Стройиздат. М - 1974, 329 с.; Хямяляйнен, В.А. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок /В.А. Хямяляйнен, Ю.В. Бурков, П.С. Сыркин. - М.: Недра, 1994. - 400 с.; Майоров А.Е., Хямяляйнен В.А. «Консолидирующее крепление горных выработок», Сиб. отд-ние РАН, КемНЦ. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. - 258 с.] положительное влияние более малого размера фракций цементных суспензий и их высокой концентрации на повышение физико-механических характеристик цементного камня, в том числе и его адгезионной прочности.
В дальнейшем, происходит схватывание и последующий набор прочности быстротвердеющей смеси до формирования монолитной изолирующей конструкции шахтной перемычки.
Все этапы возведения шахтной перемычки возможно оперативно выполнить при отсутствии электроэнергии. Результаты натурных полномасштабных испытаний предлагаемого способа возведения шахтных перемычек доказывают, что время изоляции горной выработки, при прочих равных условиях, в сравнении с известными аналогами, уменьшается минимум в два раза.
Таким образом, при реализации предлагаемого способа происходит достижение технического результата: повышение скорости возведения и надежности шахтных перемычек при отсутствии электроэнергии.
Пример.
В условиях отсутствия электроэнергии необходимые материалы и оборудование, в том числе упакованные емкости, заполненные сухой быстротвердеющей смесью и тару для воды объемом, например, 100 л, горноспасатели в ручном режиме доставляют к месту возведения шахтной перемычки и складируют. Учитывая ручную доставку материалов, вес емкостей с сухой быстротвердеющей смесью ограничен 15-20 кг. Для создания быстротвердеющей смеси используют, например, следующие материалы: портландцемент марки М500, золошлаковые отходы ТЭЦ, другие минеральные наполнители, известные добавки стабилизаторы и ускорители схватывания цементов.
Емкости для быстротвердеющей смеси изготовлены из эластичного фильтрующего материала, например, полимерной сетки с диаметром волокна 0,3 мм, с ячейкой размером 0,4×1,2 мм. Для удобства укладки емкости изготовлены с пропорцией размеров наиболее длинных сторон как 1:2, например, 300:600 мм.
В соответствии с действующей Инструкцией по изоляции неиспользуемых горных выработок и выработанных пространств в угольных шахтах производят расчет толщины шахтной перемычки, которая должна составлять не менее 2 м. Соответственно, при минимальной кратности 300 мм между бортами горной выработки необходимо уложить не менее семи рядов емкостей. Далее производят укладку емкостей в месте возведения перемычки, например, рядную, до полного перекрытия горной выработки. При этом, каждую емкость, заполненную сухой быстротвердеющей смесью, например, полностью погружают в подготовленную тару с водой. Натурными испытаниями доказано, что на эффективность пропитывания емкости с быстротвердеющей смесью водой кроме состава быстротвердеющей смеси, влияет и толщина емкости, которая при значении 60-100 мм в предлагаемом способе гарантированно обеспечивает полную пропитку всего объема смеси в течение 1-1,5 минут. Соответственно, при высоте горной выработки 2 м необходимо уложить не менее 20 рядов емкостей. Укладку каждого вышележащего ряда емкостей производят до начала процесса схватывания быстротвердеющей смеси нижележащего ряда, начиная от дальнего ряда. Примером реализации может быть ступенчато-пирамидальная форма укладки емкостей, по принципу кирпичной кладки с продольным и поперечным нахлестом, начиная от дальнего тыльного ряда, в направлении к фронтальной части перемычки, обеспечивая при этом доступ специалиста к наиболее удаленному участку, особенно под кровлей горной выработки. Если вверху, между шахтной перемычкой и кровлей горной выработки остается негабаритный просвет, то его заполняют емкостями, частично опорожненными от быстротвердеющей смеси до нужного объема.
Заполнение образованных при укладке пустот между емкостями призводят просочившимися через эластичный фильтрующий материал частицами отфильтрованной фракции быстротвердеющей смеси затворенной водой, обеспечивая высокую адгезионную прочность емкостей. По замерам натурных образцов, извлеченных из зон контакта шахтной перемычки, возведенной по предлагаемому способу, адгезия емкостей составляет более 0,8 МПа, что достаточно для обеспечения монолитности конструкции и ее надежной эксплуатации.
Все этапы возведения шахтной перемычки возможно оперативно выполнить при отсутствии электроэнергии. Результаты натурных полномасштабных испытаний предлагаемого способа возведения шахтных перемычек доказывают, что время изоляции горной выработки, при прочих равных условиях, в сравнении с известными аналогами, уменьшается минимум в два раза.
В итоге, при реализации предлагаемого способа, происходит схватывание и последующий набор прочности быстротвердеющей смеси до формирования монолитной изолирующей конструкции шахтной перемычки.