СПОСОБ ОХРАНЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК Российский патент 1994 года по МПК E21D11/14 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при креплении протяженных (горно-проходческих) выработок в условиях высокого горного давления и слабых вмещающих пород.

Известен способ крепления горизонтальных горных выработок, заключающийся в проходке выработок с верхней сводчатой формой, установку опалубки по бортам и кровле выработки, нагнетание бетонной смеси [1].

Способ эффективен только при креплении выработок с установившимся горным давлением, тогда как, например, в подготовительных выработках давление может нарастать в течение всей эксплуатации выработки. При большом давлении размеры крепи достигают значительных величин, что вызывает необходимость проходки выработок повышенного сечения. В слабых и неустойчивых породах проходка выработок большого сечения затруднена и требует сооружения временного крепления.

Наиболее близким к предлагаемому является способ крепления выработок, включающий проходку выработок в пятах и замке потолочины, проходку наклонных заходок для образования полости под потолочину шатрового типа, гидронамыв в полость щебня, нагнетание бетонной смеси [2].

Способ имеет следующие недостатки:
- конструкция потолочины жесткая и практически лишена возможности упругих деформаций, поэтому, опираясь на наклонные пяты, плита не может выполнять функции податливости без ее разрушения;
- отсутствие податливости приводит к невозможности перераспределения нарастающего давления на породный массив, следовательно, преобладающая часть нагрузки на плиту передается на борта выработки, вызывая значительные растягивающие напряжения, разрушительная способность которых для пород в 10-20 раз больше, чем сжимающих;
- при плоской потолочине возникают большие растягивающие напряжения в нижнем ее основании, поэтому для упрочения конструкции ей придают сводообразную или шатровую форму, что приводит к увеличению объема работ.

Целью изобретения является повышение эффективности охранной крепи, снижение затрат на ее сооружение.

Достигается это тем, что в известном способе, включающем предварительную проходку выработки в кровле, подлежащей охране выработки параллельно ее продольной оси, проходку заходок для образования полости под потолочину, нагнетание в полость бетонной смеси, отличающемся тем, что проходку заходок для образования полости осуществляют в горизонтальной плоскости, при этом глубину заходок (ширину ниш) определяют по формуле
C= (h_в-h_под.)ctg β, где h_в - высота оохраняемой выработки;
h_под. - толщина податливого слоя;
β, - угол сдвижения пород, за пределами контура бортов охраняемой выработки на почве полости укладывают податливую постель, и на борта полости крепят прокладку для предотвращения схватывания бетона с породным массивом, при этом для создания упорного бетонного массива в полости по контуру охраняемой выработки выставляют опалубку с уклоном в сторону породного массива, затем в отсеченную опалубкой часть полости нагнетают бетонную смесь, после затвердевания которой опалубку снимают и на обнаженную поверхность упорного массива накладывают прослойку скольжения, а в оставшуюся часть не заполненной смесью полости нагнетание смеси ведут секциями, причем между секциями создают прослойку скольжения.

В основу способа положено использование эффекта клина, выраженного формулой:
Q= (1)
где P - нормально приложенная сила к клину;
Q - составляющая Р, нормально приложенная к щекам клина;
α - половина угла заострения клина;
f - коэффициент трения между клином и распираемыми поверхностями.

Эффект заключается в том, что сила распора Q может значительно превышать нормальную нагрузку Р при определенных значениях α и коэффициента f.

Для достижения означенного эффекта потолочина выполняется не монолитной, как в известных способах, а раздельными массивами (блоками). Центральный блок выполняет роль клина, с помощью которого можно развить необходимые распорные усилия для передачи всей воспринимаемой потолочиной нагрузки, либо часть ее в глубь массива, тем самым оградить полностью или частично борта выработки от воздействия этой нагрузки.

Чтобы оградить борта выработки от давления, развиваемого за пределами потолочины, распорное давление должно быть передано массиву на определенном расстоянии от стенки выработки, при котором плоскость сдвижения массива будет проходить за пределами выработки.

В целях придания податливости потолочине на подошву полости за пределами контура охраняемой выработки укладывают податливую постель.

Упорный и клиновой массивы по протяженности разделены на секции с тем, чтобы придать потолочине большую эластичность и тем самым избежать значительных локальных концентраций нагрузок. Прослойки скольжения между клином и опорным массивом создаются для получения поверхностей скольжения с определенным коэффициентом трения, что в значительной мере влияет на характер формирующихся сил на щеках клина в соответствии с формулой (1).

В известных способах нагруженная плита в нижнем основании испытывает растягивающие напряжения от изгиба, равные максимальным сжимающим напряжениям в верхней части. Для бетона допустимые растягивающие напряжения в 10-15 раз ниже, чем для сжимающих.

В предлагаемом способе растягивающие напряжения нейтрализуются распорными силами, в результате несущая способность плиты может быть увеличена в несколько раз.

Таким образом, охрана выработки осуществляется с помощью самораспирающейся плоской плиты, выполненной из отдельных, подвижных относительно друг друга блоков, что позволяет в широких масштабах управлять распределением давления по заданным направлениям в массиве, вмещающем плиту, и одновременно управлять характером возникающих напряжений в самой плите, и тем самым многократно повысить несущую способность крепления.

Известные способы охраны выработок не обладают столь важным комплексом функциональных возможностей крепления.

На фиг.1 изображено крепление горизонтальной выработки в поперечном разрезе, общий вид; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 - схема распределения сил.

П р и м е р. В слабых породах с большим вертикальным давлением требуется пройти откаточную выработку 1 сечением 2,5х2,5 м с охраной ее предлагаемым способом. Удельное вертикальное давление на плиту 2-1,5 МПа. Толщина плиты, например 1,5 м, определена расчетным путем, известным из теории сопротивления материалов способом.

Допустимое удельное давление плиты 2 на опорную поверхность
r=1 МПа.

Необходимая расчетная величина податливости плиты 2-10 см.

Первоначально проходят в кровле будущей выработки, вдоль ее продольной оси, вспомогательную выработку 3 шириной, равной ширине выработки 1-2,5 м. Высота выработки 3
h_всп.=h_под.+h_пл. (2) где h_под. - высота податливого слоя 4;
h_пл. - толщина плиты 2.

Толщину податливого слоя определяют исходя из материала, слагающего слой, и необходимой величины податливости. Например, h_под.=40см, обеспечивает податливость 10 см. Из выработки 3 проходят двухсторонние ниши 5, образуя открытую полость 6. Ширина ниши 4 должна отвечать следующему условию: плоскость сдвижения пород 13 в бортах выработки 1 от опорного давления, формирующегося за бортами полости 6, не должна проходить в границах выработки, т.е.:
C=(h_в-h_под.)ctg β, (3) где С - ширина ниши;
β - угол сдвижения пород, например 60^о;
h_в - высота выработки 1.

На почву полости 6 укладывают слой, выполненный из податливого материала, например из мелкоразрушенной рудной массы. Для предотвращения схватывания бетонной смеси с породным массивом на борта полости 6 крепят прокладку 7, например из толи. На поверхность слоя 4 по линии сопряжения ниш 5 с выработкой 3 выставляют опалубку 8 с уклоном в сторону массива. В отсеченную часть полости 6 от выработки 2 нагнетают бетонную смесь для образования упорного бетонного блока (массива) 9, после затвердевания которого опалубку снимают. На обнаженную поверхность массива 9 накладывают прослоек скольжения 10, который может быть выполнен нанесением минеральной консистентной смазки либо путем крепления к опорному блоку 9, прокладки (из пленки, толи и др., смазанных со стороны блока). Затем в незаполненную часть полости нагнетают бетонную смесь, тем самым образуя центральный клин 11. Заполнение центральной части полости производят секциями в 3-5 м в целях придания эластичности центральному клину 11, отдельные секции разделяются между собой прослойками скольжения 12. Для образования выработки 1 под выработкой 2 обуривают массив высотой
h= h_в-h_под. (4) h=2,5-0,4=2,1 м. При взрывании отсыпанный слой 4 играет амортизирующую роль, что способствует сохранности нижнего основания клина 11 от разрушения.

На фиг.3 изображено распределение сил, воздействующих на массив и охранную плиту. Решая систему равновесия сил относительно величины удельного давления на опорную поверхность, получим уравнение
(a+2b)P-2(Q₁-F)f₂+2r˙c=0 . (5)
Откуда
r=
(6) где а - ширина верхнего основания центрального блока (клина) 11, м ,
a=b_в+2h_всп.tg α (7)
b_в - ширина выработки 1 - 2,5 м;
h_всп. - высота выработки 2;
α - половина угла заострения клина.

Задаемся значением угла α =15^о. Тогда по формуле (2)
a=2,5+2(0,4+1,5)tg15^o=3,5 м
b - ширина упорного блока поверху
b=c-h_всп.tg α = 1,5-(0,4+ 1,5)tg15^o= 1 м.

Р - удельное давление на потолочину;
Q₁ - горизонтальная составляющая от силы;
Q - нормально направленная сила к щеке клина
Q= (8)
α - половина угла заострения клина;
f₁ - коэффициент трения между поверхностями клина и упорного блока

(9)

(10)
F - сила сопротивления перемещению упорного блока по податливому слою.

F=Pbf₃+Q₂f₃ (11)
f₃ - коэффициент сопротивления перемещению упорного блока 9 по податливому слою 4;
f₂ - коэффициент трения между бортом полости 6 и упорным блоком 9.

Подставив значение формул 9, 10, 11 в формулу (6), получаем:
r=p
(12)
Из источников в технической литературе значения коэффициентов f₁, f₂, f₃ - исходя из конструктивного исполнения способа можно принять соответственно: 0,3; 1,0; 0,5.

Тогда
r=1.5 =0.93 МПа<1 МПа
Таким образом, заданные условия исполнения способа удовлетворяют поставленной задаче.

В случае, если будут получены отрицательные показатели, следует, задаваясь иными значениями угла α , конструктивно изменяя контактные плоскости, тем самым меняя значения f₁, f₂ ,f₃, подойти к заданным показателям.

Для сравнения: удельное давление на опорную плоскость при тех же условиях, но без использования эффекта клина, составляет 2,75 МПа или в 2,9 раза больше.

Предлагаемый способ имеет следующие преимущества:
повышается несущая способность крепления, тем самыми уменьшается объем горных работ и расход материалов;
отпадает необходимость крепления бортов выработок;
снижаются трудоемкость работ и затраты на охрану выработок.

Использование: способ предполагает крепление подготовительных и нарезных выработок в условиях проявления большого горного давления в слабых породах. Сущность: способ основан на использовании эффекта клина, с помощью которого большая доля нагрузки на перекрытие от горного давления передается в глубь породного массива, а борта выработок освобождаются от опорного давления. 3 ил.

СПОСОБ ОХРАНЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК, включающий предварительную проходку выработки в кровле подлежащей охране выработки параллельно ее продольной оси, проходку заходок для образования полости под потолочину, нагнетание в полость бетонной смеси, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности охранной крепи и снижения затрат на ее сооружение, проходку заходок для образования полости осуществляют в горизонтальной плоскости, при этом глубину C заходок определяют по формуле
C=(h_в-h_под )ctg β ,
где h_в - высота охраняемой выработки;
h_под - толщина податливого слоя,
а за пределами контура бортов охраняемой выработки на почве полости укладывают податливую постель и на борта полости крепят прокладку для предотвращения схватывания бетона с породным массивом, при этом для создания упорного бетонного массива в полости по контуру охраняемой выработки выставляют опалубку с уклоном в сторону породного массива, затем в отсеченную опалубкой часть полости нагнетают бетонную смесь, после затвердевания которой опалубку снимают и на обнаженную поверхность упорного массива накладывают прослойку скольжения, а в оставшуюся часть незаполненной смесью полости нагнетание смеси ведут секциями, причем между секциями создают прослойку скольжения.