СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ ПОРОД ШТАНГАМИ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ Российский патент 1999 года по МПК E21D20/00 

Изобретение относится к области горного дела, а именно к креплению горных выработок штангами, и может быть использовано при подземной разработке месторождений полезных ископаемых для крепления вертикальных, горизонтальных и наклонных выработок, кроме того, при сооружении подземных полостей различного назначения.

Эффективное крепление подземных полостей должно основываться на ясных представлениях о механизме деформирования пород вокруг них. Исследования на моделях в натурных условиях, а также анализ существующих обширных данных о поведении массивов вокруг выработок при статическом и динамическом нагружениях позволили выявить общие закономерности деформирования горных пород в окрестности полостей. Деформированное состояние пород вокруг них в общем случае характеризуется локализацией сдвиговых деформаций вдоль двух систем логарифмических поверхностей скольжения, развивающихся от контура выработки, после упругой разгрузки и исчерпании породами вокруг прочности на сдвиг и растяжение. При этом указанные деформации могут сосредотачиваться как вдоль одной из возможных систем указанных поверхностей, так и вдоль обеих.

Различного рода неоднородности горных пород, действующие в реальном массиве напряжения, способны спровоцировать развитие локализованных деформаций во вполне определенной области. Данный факт при наличии информации об указанных особенностях строения массива и направлений главных напряжений позволяет спровоцировать наиболее опасные по разрушению области и предусмотреть мероприятия по предотвращению таких разрушений. Предлагаемый способ направлен на решение именно этой задачи.

Штанги, устанавливаемые по породам и по контуру выработки, работают недостаточно эффективно в силу того, что не учитывают реальную, описанную выше кинематику пород и, следовательно, действующие нагрузки. То же самое относится и к наклонным штангам, угол наклона которых принимается либо произвольно, на основе опыта в отдельной шахте или руднике, либо исходя из неадекватных представлений о кинематике массива горных пород вокруг полости. Все это на практике является причиной обрушения в выработку штанг вместе с закрепленными ими породами.

Предлагаемый способ основывается на законах деформирования, действующих в реальных массивах, учитывает особенности их строения, поле действующих напряжений, и поэтому его использование позволит существенно повысить устойчивость подземных полостей.

Известен способ укрепления пород штангами в горных выработках (см. а. с. N 875079 E 21 D 20/00), включающий установку с равным наклоном перекрещивающихся в породном массиве штанг с заглублением их за контур зоны деформации пород, причем последние устанавливают отдельными кустами, каждый из которых оконтуривает два породных блока в форме пирамид, сопряженных друг с другом вершинами, при этом место перекрещивания штанг размещают за контуром зоны деформации пород, а штанги в кусте соединяют жесткими связями. Кроме того, один куст штанг соосно размещают в другом с расположением места перекрещивания штанг соосных кустов на разных уровнях вдоль оси.

Недостатком известного способа является недостаточная эффективность крепления, которая объясняется неучетом реальной механики деформации массива горных пород вокруг выработки.

Известен способ поддержания горных выработок (см. а. с. N 1208260 E 21 D 20/00), включающий определение расположения вокруг выработки зон максимальных и минимальных напряжений пород, бурение скважин в этих местах и установку с закреплением скважинных напряженных анкеров. Напряженные анкеры устанавливают в зонах максимального сжатия пород, при этом до установки анкеры сжимают, а после установки и закрепления растягивают путем снятия усилия сжатия, кроме того, сжатые анкеры при установке закрепляют в скважинах по всей длине.

Недостатком данного известного способа являются использование неадекватного представления о механике деформирования горных пород, что снижает эффективность применения разработанного способа поддержания выработок.

Наиболее близким по технической сущности является способ крепления горных выработок (см. а. с. N 1559185 E 21 D 20/00), включающий определение расположения вокруг выработки зоны максимальных напряжений горных пород, бурение в направлении действия максимальных напряжений центральных скважин в кровле и боковых скважин в углах и стенках выработки и установку в скважинах анкеров. Причем предварительно по геологическому разрезу в поперечном сечении выработки определяют расположение систем пересекающихся трещин, образующих структурные блоки пород, при этом при бурении центральные скважины размещают в кровле параллельно диагонали структурных блоков, а в углах и стенках - перпендикулярно одной из систем пересекающихся трещин.

Следует отметить, что использование при разработке данного способа представления о механизме деформирования пород вокруг выработок не отражает реальную кинематику массива и поэтому сам способ крепления не является достаточно эффективным.

Задачей предполагаемого изобретения является разработка способа эффективного укрепления пород с использованием новых представлений о деформировании вокруг горной выработки породного массива.

Поставленная задача решается следующим образом.

Наклонные шпуры бурят в плоскости сечения выработки с отклонением от нормалей к ее контуру под углом α согласно

где f - коэффициент крепости пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова.

Длину наклонных шпуров l определяют по формуле

где b ≅ 1,8-2,5 м - расстояние от контура выработки до внешней границы зоны наведенной трещиноватости вокруг выработки (b=1,8 м для выработок, пройденных на глубинах до 800 м, b=2,5 м для выработок, пройденных на глубинах более 800 м и в породах, находящихся в области повышенных напряжений).

Кроме того, при наличии естественной системы трещин шпуры ориентируют по нормали к основной из них, наиболее опасной по сдвигам. И еще тем, что при наличии выраженной направленности действия наибольших сжимающих напряжений укрепляют те участки ее контура, которые совпадают с направлением этих напряжений.

Кроме того, тем, что при выраженной естественной трещиноватости горных пород укрепление стенок выработок производят в областях контура, нарушенных естественной трещиноватостью, без учета направления действия сжимающих напряжений. Кроме того, тем, что наклонные шпуры бурят под углом β = 10-30^o.
Существенным отличием предлагаемого технического решения является то, что наклонные шпуры бурят в плоскости сечения выработки с отклонением от нормалей к ее контуру под углом

Данное техническое решение позволяет упрочнять горные породы штангами, установленными по нормали к ожидаемым характерным криволинейным поверхностям скольжения, развивающимся от контура выработки.

Исследованиями на моделях и анализом шахтных наблюдений подтверждено, что разрушение выработок как при статическом, так и при динамическом (горные удары) нагружении происходит по логарифмическим криволинейным плоскостям, развивающимся от контура выработки. Степень кривизны логарифмических поверхностей в основном зависит от прочности горных пород, диаметра выработки и напряженного состояния. Наклонные шпуры бурят по нормали к криволинейным плоскостям скольжения для достижения достаточной прочности укрепления при минимальной длине штанг.

Длину наклонных шпуров 1 определяют по приведенной выше формуле.

Данное техническое решение позволяет определять рациональную длину штанг.

Величины b - размер зоны наведенной трещиноватости вокруг выработок, широко известен из литературы по анкерному креплению, где имеются также рекомендации по выбору длины штанг в зависимости от величины b. Ввиду того, что по предлагаемому техническому решению штанги устанавливаются под различными углами, для определения длины штанг дана полуэмпирическая формула, в которой учитывается угол наклона штанг, в чем состоит существенное отличие.

При наличии естественной системы трещин шпуры ориентируют по нормали к основной из них, наиболее опасной по сдвигам.

Данное техническое решение позволяет учитывать то, что естественная трещиноватость может являться инициатором начала разрушения, то есть зарождением плоскостей скольжения определенной ориентации.

Около выработки возможно образование двух семейств поверхностей скольжения - левой и правой. Наличие естественной трещиноватости может спровоцировать реализацию либо правого, либо левого семейства поверхностей скольжения. Как показали практические наблюдения, плоскости скольжения могут не полностью проходить по естественной трещиноватости, а только соблюдать направления, поэтому наклон шпуров должен определяться по формуле, описанной выше, а направление наклона, правое или левое, определяется естественной трещиноватостью, и шпуры во всех случаях бурят не обязательно перпендикулярно естественной трещиноватости.

При наличии выраженной направленности действия наибольшего ожидающего напряжения вокруг выработки укрепляют те участки ее контура, которые совпадают с направлением этих напряжений.

Данное техническое решение обеспечивает надежность крепления.

Зная направления действия поля напряжений, производят укрепление стенок выработки до начала ее разрушения. Причем ранее считалось, что необходимо укреплять стенки выработки в направлении действия напряженного состояния. Результаты исследований показывают, что это не подтверждается практикой. Разрушаются стенки выработок не со стороны действия напряжений, перпендикулярных стенкам. Это объясняется тем, что на этих стенках возникают сдвиговые напряжения и образование системы криволинейно логарифмических плоскостей, по которым и происходит разрушение пород. Для того чтобы не происходило отслаивание породы, необходимо их укрепление штангами.

При выраженной естественной трещиноватости горных пород укрепление стенок производят в областях контура, нарушенных естественной трещиноватостью, без учета направления действия сжимающих напряжений.

Данное техническое решение основано на том, что образование системы локальных логарифмических плоскостей скольжения, их начало приурочено к естественной трещиноватости и не зависит от направления напряженного состояния массива.

Естественная трещиноватость предопределяет правую или левую систему локальных логарифмических плоскостей скольжения. Крутизна логарифмических плоскостей скольжения определяется прочностью пород. Направленность естественной трещиноватости в выработке обусловлена местоположением выработки в сложившемся геологическом массиве горных пород. Направленность напряженного состояния массива определяется тектоникой и горными работами на участке, где находится выработка. Исследованиями установлено, что зарождение локальных логарифмических плоскостей скольжения происходит в местах естественной трещиноватости, и для того, чтобы сохранить выработку, необходимо укрепление этих мест. Направление и угол наклона шпуров даны в описании выше. Причем необходимо отметить, что интенсивная естественная трещиноватость может не совпадать с направлением напряженного состояния массива и поэтому не учитывается в обосновании участка стенки выработки для укрепления.

Наклонные шпуры бурят с разворотом плоскости выработки в сторону забоя под углом β = 10-30^o.
Данное техническое решение применяется тогда, когда горный массив находится в напряженно-деформированном состоянии и крепление выработки ведется без оставления незакрепленного пространства вслед за проходческим забоем. Наклонные штанги, направленные в сторону еще не подсеченного выработкой массива, закрепляют его в первоначальном состоянии без подвижек и перемещений, что способствует укреплению пород. Шпуры бурят в плоскости забоя с отклонением от нормали к ее контуру под углом α, который определяется по формуле, приведенной выше.

Плоскость расположения штанг разворачивают на угол β = 10-30^o, чтобы замковая часть штанги находилась в зоне ненаведенной трещиноватости от забоя выработки. Чем больше напряженно-деформированное состояние массива, тем большее "возмущение" оказывает движущий забой горной выработки. На напряженно-деформированное состояние массива оказывают влияние много факторов (тектоника, геологическое строение, горные работы, сейсмика района, глубина разработок и т. д.), и учесть их взаимовлияние теоретически с применением измерений и математического анализа трудоемко и сложно. Для конкретной выработки практически угол β целесообразно определять экспериментальным путем.

Сущность предложенного технического решения.

Вокруг горной выработки под действием напряженно-деформированного состояния массива создается система локальных логарифмических плоскостей скольжения левого и правого направления, начиная от стенки выработки. Кривая локальных логарифмических плоскостей скольжения зависит от диаметра выработки, прочности пород и напряженного состояния. Направление наклона плоскостей скольжения определяется естественной трещиноватостью массива горных пород. За счет горного давления и динамических процессов (горные удары, взрывные работы) происходит "сворачивание" приконтурной части горного массива и обрушение отслаивающихся блоков пород.

Природа избрала самый неэнергоемкий процесс разрушения горной выработки - сдвигом и растяжением. Зная механизм разрушения горной выработки, предложен способ укрепления пород штангами, установленными в наклонных шпурах, пробуренными в плоскости, нормальной к образующимся локальным логарифмическим плоскостям скольжения. Угол наклона шпуров определяется эмпирической формулой по крепости пород, а направление наклона задается естественной трещиноватостью массива пород вокруг горной выработки. При наличии выраженной направленности действия наибольшего сжимающего напряжения вокруг выработки укрепляют те участки ее контура, которые совпадают с направлением этих напряжений. Если действие максимального сжимающего усилия не совпадает с направлением естественной трещиноватости выработки, укрепление стенок производят в областях контура выработки, нарушенной естественной трещиноватостью без учета направления действия сжимающих напряжений. При развитой системе трещин, образующих блочную структуру, в массиве одновременно создаются правые и левые направления локальных логарифмических плоскостей скольжения. В этом варианте укрепление массива ведут наклонными штангами для правой и левой системы локальных плоскостей скольжения независимо друг от друга.

Если горный массив находится в напряженно-деформированном состоянии, недопускающем незакрепление пространств (крепление вслед за проходческим забоем), плоскость сечения выработки, в котором бурят наклонные шпуры, разворачивают под углом β = 10-30^o в сторону забоя и наклонные штанги направляют в сторону еще не подсеченного выработкой массива, что способствует укреплению пород.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает элементами существенной новизны и полезности и основано на применении новой концепции механики массива горных пород вокруг выработки.

Пример выполнения способа укрепления пород штангами в горных выработках показан на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8, где показано:
Фиг. 1 - принципиальная схема выполнения способа укрепления пород штангами в горной выработке - разрез элемента выработки.

Фиг. 2 - то же, с естественной трещиноватостью горных пород одного направления.

Фиг. 5 - то же, для выработки круглого сечения с выраженным сжимающим напряжением.

Фиг. 4 - то же, с выраженным сжимающим усилием и наличием локализованной естественной трещиноватостью определенного направления.

Фиг. 5 - то же, при наличии выраженной естественной трещиноватости в двух направлениях.

Фиг. 6 - то же, сечение А-А (фиг. 5).

Фиг. 7 - пример выполнения при креплении выработок вслед за проходкой без отставания крепления. Положение плоскости расположения наклонных шпуров относительно забоя.

Фиг. 8 - то же, сечение Б-Б (фиг. 7).

Способ укрепления пород штангами в горных выработках может быть использован для крепления вертикальных, горизонтальных и наклонных выработок.

На фиг. 1 показан элемент крепления горной выработки в разрезе. Выработка пройдена в однородных породах, на ее контуре 1 бурят наклонные шпуры 2, в которых устанавливают штанги 3. Шпуры 2 бурят под углом α к нормалям 4 (перпендикулярно к контуру выработки в данной точке). Под действием напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок при статическом и динамических напряжениях образуются локализованные системы логарифмических поверхностей скольжения 5 левого и правого направлений, развивающихся от контура 1 выработки. Криволинейность логарифмических плоскостей скольжения 5 в основном зависит от прочности горных пород, диаметра выработки и напряженного состояния.

Образование системы локальных логарифмических плоскостей скольжения, их начало приурочено к естественной трещиноватости 6 и не зависит от направления действия напряженного 7 состояния массива горных пород. Естественная трещиноватость предопределяет правую или левую систему локальных логарифмических плоскостей скольжения 5. Крутизна логарифмических плоскостей скольжения 5 определяется прочностью пород.

Направленность естественной трещиноватости в выработке обусловлена местоположением выработки в сложившейся геологической обстановке. Направленность напряженного состояния горных пород определяется тектоникой и горными работами на участке, где проходится выработка. Исследованиями установлено, что зарождение локальных логарифмических плоскостей скольжения происходит в местах естественной трещиноватости 6, и для того, чтобы сохранить выработку, производят, в первую очередь, укрепление этих мест.

Интенсивная естественная трещиноватость 6 может не совпадать с направлением напряженного 7 состояния массива, и поэтому не учитываются в обосновании участка 9 стенки выработки для укрепления.

При наличии выраженной естественной трещиноватости в двух противоположных плоскостях (фиг. 5, 6) для каждой системы трещин бурят свои укрепляющие наклонные шпуры и устанавливают в них дополнительные штанги 10. В этом случае развиваются как правые, так и левые локальные логарифмические плоскости скольжения 5. Для укрепления каждого направления локальных логарифмических плоскостей скольжения устанавливаются свои штанги. Например, для укрепления правого направления устанавливаются штанги 3, а для укрепления левого направления - штанги 10.

Штанги, установленные по направлению плоскостей скольжения, мало укрепляют массив, поэтому расстояние L (фиг. 6) между рядами шпуров для укрепления пород от ослабления одной системой локальных логарифмические плоскостей скольжения не должно превышать расчетного расстояния L, т. е. общее число шпуров на площадь стенки выработки увеличивается почти в два раза. Каждую систему локальных логарифмических плоскостей скольжения укрепляют своим комплектом штанг, установленных в наклонных шпурах, пробуренных в противоположные стороны.

Увеличение на 20% допускается за счет того, что анкерные болты могут быть соединены между собой сеткой или гибкими подхватами и работают совместно. В этом случае увеличивается несущая способность каждой штанги и исключаются вывалы блоков пород со штангами, установленными параллельно направлению локальных логарифмических плоскостей скольжения.

Когда горный массив находится в напряженно-деформированном состоянии и крепление выработки ведут без оставления незакрепленного пространства вслед за проходческим забоем 11 (фиг. 7, 8), необходимо закрепление пород в первоначальном состоянии. Для этого варианта плоскость 12, в которой располагается шпур 2 относительно оси, проходящей через нормаль 4, разворачивают на угол β в сторону забоя 11. Шпуры 2 бурятся под углом α (расчет угла и обоснование дано выше), и устанавливаются штанги 3. Данное техническое решение позволяет устанавливать наклонные штанги 3, направленные в сторону еще не подсеченного выработкой массива горных пород, в областях без наведенной трещиноватости от подвижки забоя.

Плоскость разворачивается на угол β = 10-30^o, чтобы замковая часть штанги находилась в зоне ненаведенной трещиноватости от забоя выработки. Чем больше напряженно-деформированное состояние массива, тем большее возмущение оказывает движущийся забой горной выработки.

На напряженно-деформированное состояние массива оказывают влияние много факторов (тектоника, геологическое строение, горные работы, глубина и т.д.), и учесть их взаимовлияние теоретически с привлечением измерений и математического анализа трудоемко и сложно, поэтому для конкретной выработки угол β следует определять экспериментально.

Таким образом, предлагаемое техническое решение с использованием нового подхода в механике разрушения горных выработок позволяет эффективно производить укрепление штангами массива горных пород в различных горно-технических условиях.

Изобретение относится к горному делу, а именно к креплению горных выработок штангами. Способ включает определение систем трещин, образующих структурные блоки пород по геологическим разрезам в поперечном сечении, бурение наклонных шпуров с заглублением их за контур деформаций пород, установку в шпуры штанг. Наклонные шпуры бурят в плоскости сечения выработки с отклонением от нормали к ее контуру на угол
α = π/4 - arctgf/2,
где f - коэффициент крепости пород по шкале проф. Протодьяконова М.М.

а длина наклонных шпуров определяется по формуле

где b = 1,8-2,5 м - расстояние от контура выработки до внешней границы зоны наведенной трещиноватости вокруг выработки (b =1,8 м для выработок, пройденных на глубинах до 800 м, b =2,5 м для выработок, пройденных на глубинах более 800 м, и в породах, находящихся в области повышенных напряжений).

При наличии естественных систем трещин дополнительные шпуры ориентируют по нормали к основной из них, опасной по сдвигам. При наличии выраженной трещиноватости и действия наибольшего сжимающего напряжения вокруг выработки дополнительно укрепляют те участки ее контура, которые совпадают с направлением этих напряжений. При выраженной естественной трещиноватости горных пород укрепление стенок выработки производят в областях контура, нарушенных естественной трещиноватостью без учета направления действия сжимающих напряжений. Наклонные шпуры можно бурить с разворотом из плоскости выработки в сторону забоя под углом β = 10-30^o.Способ обеспечивает эффективное укрепление пород в различных горно-технических условиях. 4 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Способ укрепления пород штангами в горных выработках, включающий определение расположения систем трещин, образующих структурные блоки пород по геологическим разрезам в поперечном сечении, бурение наклонных шпуров с заглублением их за контур деформаций пород, установку в шпуры штанг, отличающийся тем, что наклонные шпуры бурят в плоскости сечения выработки с отклонением от нормали к ее контуру на угол
α = π/4-(arctgf)/2,
где f - коэффициент крепости пород по шкале проф.Протодьяконова М.М.,
а длина наклонных шпуров определяется по формуле

где b = 1,8 - 2,5 м - расстояние от контура выработки до внешней границы зоны наведенной трещиноватости вокруг выработки (b = 1,8 м для выработок, пройденных на глубинах до 800 м, b = 2,5 м для выработок, пройденных на глубинах более 800 м и в породах, находящихся в области повышенных напряжений). 2. Способ по п.1. отличающийся тем, что при наличии естественных систем трещин шпуры ориентируют по нормали к основной из них, опасной по сдвигам. 3. Способ по п.1. отличающийся тем, что при наличии выраженной трещиноватости действия наибольшего сжимающего напряжения вокруг выработки укрепляют те участки ее контура, которые совпадают с направлением этих напряжений. 4. Способ по п.1. отличающийся тем, что при выраженной естественной трещиноватости горных пород укрепление стенок выработки производят в областях контура, нарушенных естественной трещиноватостью без учета направления действия сжимающих напряжений. 5. Способ по п.1. отличающийся тем, что наклонные шпуры бурят с разворотом из плоскости выработки в сторону забоя под углом β = 10-30^°.