СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ И РАМНАЯ КРЕПЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК E21D11/14 

Изобретение относится к области горного дела, преимущественно к подземной добыче угля и строительству подземных сооружений.

Известны прямоугольные, трапециевидные, арочные, дугообразные и другие формы поперечных сечений горных выработок [1, c. 9]
Недостатком формы с криволинейным сводом является необходимость разрушения достаточно прочных плитообразных природных конструкций для придания им арочной или иной искусственной формы, что влечет за собой снижение устойчивости.

Без такого разрушения крепь взаимодействует с кровлей массива в одной точке и легко деформируется. Прямолинейные очертания верхней части забоя позволяют использовать несущие свойства природных конструкций, однако они обладают тем существенным недостатком, что наличие прямых углов в такой выработке влечет за собой увеличение концентрации напряжений, а это также снижает устойчивость выработок [2, c. 228]
При залегании пластов под углами более 8^o на крепь пластовых подготовительных выработок, на ее плоский верхняк, начинают действовать косонаправленные силы за счет разложения вертикальной нагрузки на нормальную и касательную составляющие. Это увеличивает скорость деформации рамной крепи, главным образом, в нижней части боковых элементов, что еще более усугубляет трудности поддержания выработок и создает впечатление действия боковых сил.

Предлагаемое техническое решение предусматривает при углах падения пород до 25-30^o комбинированную форму забоя с прямолинейной формой центральной части свода и криволинейной формой краевых его частей. Прямолинейная форма способствует лучшему взаимодействию с крепкими плитообразными слоями пород в осадочном массиве, при этом последний выполняет функции несущей конструкции, а это способствует повышению устойчивости горных выработок и облегчает работу крепи.

Криволинейная форма краевых частей свода исключает концентрацию напряжений, которая обычно возникает в угловых участках контура.

Описанная комбинированная форма свода выработок не предусмотрена типовыми сечениями, утвержденными Госстроем СССР, а также нормативными документами [1] Это обстоятельство налагает на авторов обязательство более детального обоснования возможности применения комбинированной формы забоя.

В работе [2] на рис.69 дается графоаналитическое определение очертания свода естественного равновесия в слоистом массиве. Сущность процесса теоретически объясняется образованием блоков 1, 2, 3 и т.д. оконтуренных поверхностями ослабления по слоистости и вертикальными трещинами. Указывается также, что натурными исследованиями в Донбассе в таких породах, как крепкие известняки и песчаники, доказано, что высота свода незначительна, даже если выработки пройдены 2-3 года назад. Отсюда можно сделать вывод, что в случае плитчатого строения кровли при равенстве длины блока и пролета 2а будет создано условие критической устойчивости кровли выработки, а при 2а<l кровля будет устойчивой. В то же время длина блока определяется расстоянием между вертикальными трещинами, которые во многих случаях достигают 5-6 м, а в морских известняках вообще отсутствуют, так как залечены жильным вторичным кальцитом. Ослабленные контакты как в известняках, так и в русловых и дельтовых песчаниках Донбасса почти всегда наблюдаются в основании прочных плит и почти всегда отсутствуют в середине массива.

Иначе говоря, имеются веские теоретические основания для максимального использования несущих свойств массива при комбинированной форме забоя в горных выработках, имеющих достаточно большую ширину.

Однако детальные фациальные определения в каждом забое невозможны, поэтому ниже предлагается способ определения устойчивости плитообразной кровли путем наблюдений и измерений. При этом работа рекомендуется в следующей последовательности.

1. Определяют размеры будущей горной выработки, необходимые для размещения оборудования, в частности ее ширину и сечение.

2. В забое выбирают наиболее ослабленный контакт, выше которого залегает плита крепких пород.

3. Обнажают часть этой плиты длиной, равной длине принятого цикла, и шириной, равной 1/3 ширины выработки. Под прикрытием временной крепи замеряют высоту нижнего контакта плиты от почвы и устанавливают в забое перемычку.

4. Через сутки снимают перемычку и проводят новый замер того же параметра.

Сравнивают результаты, и при разнице менее 5% считают, что контакт выбран правильно.

5. Повторяют опыты при ширине обнажения, последовательно увеличиваемой от 1/3 до 1/2 ширины выработки и при криволинейных формах краевых частей свода с изменяющимся радиусом закругления. При этом замеряют площадь поперечного сечения выработки, через сутки измерения повторяют и вычисляют полученный прирост площади поперечного сечения.

6. При получении прироста менее 10% опыты прекращают, принимая за основу будущего забоя полученную форму.

7. При большем приросте и недостаточности полученного поперечного сечения выработки для размещения оборудования, а также при входе забоя в зону повышенной вертикальной трещиноватости в массиве впереди забоя проводят нагнетание скрепляющего состава, и повторяют опыты.

Известны металлические податливые рамные крепи из спецпрофиля СВП, имеющие арочную или трапециевидную форму [1, с. 52-75]
Для крепления выработки, имеющей комбинированную прямолинейно-криволинейную форму свода, предлагается рамная крепь с аналогичной формой свода.

Наиболее близка по технической сущности металлическая податливая крепь ПАК22 конструкции ДонУГИ [3, с. 34] Основное преимущество крепи заключается в том, что прямолинейная часть ее свода ориентирована нормально по отношению к падению слабого пласта, что исключает косонаправленные нагрузки, неизбежные при наклонных и крутых углах падения.

Недостатком крепи является малое сопротивление верхняка и боковых элементов при повышенной ширине выработки (более 4-5 м) и боковом давлении.

Этот недостаток устраняется, если прямолинейную часть верхняка ориентировать параллельно слоям прочных пород и делать его из удвоенного спецпрофиля, соединенного скобами, при этом узел будет также выполнять и роль элемента податливости.

Наблюдения показывают, что наибольшие деформации крепь испытывает на прямолинейной части свода, на участке, примерно равном 1/3 его ширины.

Таким образом, если длину соединяемых "внахлестку" элементов спецпрофиля в узле податливости увеличить до 1/3-1/2 ширины свода выработки (общепринята длина 300 мм), то крепь приобретает новое качество повышенное сопротивление против нормально направленного горного давления.

Другим отличием предлагаемой крепи от прототипа является повышенный наклон боковых элементов крепи по отношению к продольной плоскости выработки. Такой прием применяется, например, в дугообразной крепи, где устанавливается симметричный наклон боковых элементов до 85^o. В предлагаемом решении принимается другой наклон, исходя из следующих рассуждений.

Представим себе (фиг. 1), что на прямолинейную часть свода крепи действует горное давление в виде силы Q в точке О, представляющей собой точку приложения центра тяжести вышележащей плиты пород.

В первоначальный период, когда плита монолитна, сила Q будет разложена на нормальную силу и касательную, причем последняя в силу монолитности плиты не будет оказывать влияние на крепь, т.е. будет нейтрализована сопротивлением массива. Нормальная составляющая будет максимальной при α = 0, т.е. при горизонтальном залегании. При наклонном залегании она будет уменьшаться по мере увеличения угла наклона плиты и будет направлена под углом β = 90 - α, где α угол падения пород. Однако плитообразная кровля не всегда будет монолитной. Рано или поздно наступит момент, когда прогиб в точке О достигнет критической величины, сработает податливость крепи, и здесь появятся трещины.

Сложим силы t и Q, получив равнодействующую Q₁. При равенстве отрезков NQ и QQ₁ положим, что α₁= α, угол ACO = β₁.
По мере потери монолитности плиты в кровле появятся касательные напряжения τ, но непосредственно на крепь будет действовать только примерно половина силы τ, другая половина будет нейтрализована силой F при коэффициенте трения для этих условий от 0,3 до 0,6, в среднем 0,5. Отметим, что Q_II, равнодействующая сил и Q, будет направлена под углом .

Если установить боковые элементы крепи под углами, близкими к предполагаемым направлениям действия сил N и Q_II, то появятся основания заявить о нейтрализации косонаправленных на крепь сил, стремящихся опрокинуть крепь в сторону и деформирующих нижнюю часть боковых элементов. Исходя из этих рассуждений, принимаем наклон боковых элементов относительно продольной вертикальной плоскости выработки со стороны восстания пласта: β₁= (90 - α), а со стороны падения .

При этом пределы точности определены в ±3^o из учета реально изменяющихся значений этого параметра в горных выработках (колебания угла падения естественного характера).

Опыты по деформированию отрезков спецпрофиля показывают, что в начальные периоды деформации спецпрофиль увеличивается в ширине с потерей высоты и, очевидно, момента сопротивления. Наиболее слабым местом крепи является криволинейная часть свода со стороны восстания пласта, где длина криволинейной части наибольшая.

В предлагаемом техническом решении на эту криволинейную часть крепи устанавливаются 2-3 скобы. Если затянуть скобы, то они будут сдерживать расширение профиля в начальный момент деформации и тем самым будут усиливать этот узел крепи.

С целью снижения количества деталей, применяемых в крепи, на криволинейной части ее устанавливают те же скобы, что и в элементах податливости. Для этого под скобу подкладывают отрезок спецпрофиля, так как скобы рассчитаны на двойную высоту спецпрофиля, при одинарной высоте пришлось бы применять другую скобу, не взаимозаменяемую с табельной, а именно с вдвое увеличенной длиной резьбы.

На фиг.2, 3, 4 показана предлагаемая крепь. Она состоит из боковых элементов 1 и 2, имеющих прямолинейную и криволинейную формы, соединенные узлом упрочнения 5, который одновременно выполняет роль также и элемента податливости. Боковые элементы левый 3 и правый 4 также соединены с элементами 1, 2 элементами податливости в вертикальном направлении 7, 8. Узел 6 представляет собой 2-3 скобы, установленные на одинарном криволинейном профиле.

Крепь монтируется следующим образом. Вначале устанавливаются скобы 6, затем соединяется узел 5, образовавшаяся конструкция укладывается на стрелу забойной машины и прижимается к кровле поднятием стрелы. Затем присоединяют элементы 3 и 4. Разборка производится в обратной последовательности.

Применение предлагаемого технического решения за счет использования несущих свойств массива и совершенствования рамной крепи в узлах 5, 6, а также 1-3 и 2-4 позволяет в 1,5-2 раза увеличить срок безремонтного содержания горных выработок.

Источники информации
1. Каретников В.Н. и др. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. М. Недра, 1989.

2. Алексеенко С. Ф. Малежик В.П. Физика горных пород. Горное давление. Киев: Вища школа, 1987.

3. Бокий Б.В. и др. Технология, механизация и организация проведения горных выработок. М. Недра, 1983.

4. Гелескул М.Н. и др. Справочник по креплению горных выработок. М. Недра, 1972.

5. Потапенко В.А. и др. Проведение и поддержание выработок в неустойчивых породах. М. Недра, 1990.

Использование: в горном деле. Сущность изобретения: способ включает формирование контура забоя. Прямолинейную часть забоя располагают по ослабленному контакту, и выполняют не более 1/2 ширины выработки. Положение и размеры прямолинейной и криволинейной частей определяют опытным путем. Рамная крепь для осуществления способа имеет боковые элементы 1, 2. Они выполнены криволинейно-прямолинейной формы и соединены прямолинейными частями 5 с образованием прямолинейного участка. Последний имеет длину не менее 1/3 ширины выработки. Один из элементов верхняка со стороны восстания пласта снабжен скобами 6. Боковые элементы установлены в выработке с наклоном относительно ее продольной оси. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ проведения и поддержания горной выработки, включающий отбойку горной массы, формирование контура забоя, имеющего прямолинейную верхнюю и криволинейную по бокам выработки части, крепление выработки рамной крепью с межрамным ограждением, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности поддержания выработки путем использования несущих свойств массива в сложных горно-геологических условиях, прямолинейную часть забоя располагают по ослабленному контакту под плитообразным слоем крепких пород и выполняют не более 1/2 ширины выработки, при этом положение и размеры прямолинейной и криволинейных частей определяют опытным путем в течение суток с последующим сравнением полученных результатов, при снижении высоты выработки до 5% и приросте площади поперечного сечения менее 10% определяют форму забоя, а при большем приросте нагнетают в массив впереди забоя скрепляющий состав. 2. Рамная крепь для проведения и поддержания горной выработки, включающая боковые элементы, верхняк из двух элементов криволинейно-прямолинейной формы, соединенных прямолинейными частями с помощью хомутов с образованием прямолинейного участка соединения с узлом податливости, отличающаяся тем, что прямолинейный участок соединения имеет длину не менее 1/3 ширины выработки и расположен нормально по отношению к падению пласта, при этом один из элементов верхняка со стороны восстания пласта снабжен скобами, установленными на его криволинейной части, а боковые элементы установлены в выработке с наклоном относительно ее продольной оси под углом в сторону восстания до -α, в сторону падения до -α/2, где α - угол падения пласта в градусах.