СПОСОБ ОХРАНЫ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ Российский патент 2002 года по МПК E21D11/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для охраны подготовительных выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством, для повторного их использования при бесцеликовой отработке угольных пластов, имеющих в кровле породы не ниже средней устойчивости.

Известен способ охраны подготовительной выработки отдельно стоящими жесткими или ограниченной податливости опорами (тумбами) из железобетонных блоков (1).

Основной недостаток, присущий известному способу, состоит в том, что возведение опор осуществляется вслед за подвиганием очистного забоя в зоне, которая характеризуется интенсивным деформированием поддерживаемых пород, что значительно снижает эффективность проводимых мероприятий, не способствует сохранению работоспособного состояния поддерживаемых выработок и, как следствие, ухудшает условия безопасного ведения горных работ в наиболее опасной зоне, какой принято считать сопряжение очистного забоя с подготовительной выработкой.

Известен способ охраны подготовительной выработки, включающий укладку в выработанном пространстве на бровке выработки отдельных блоков друг на друга послойно с образованием тумб, формирующих охранную полосу вдоль выработки позади очистного забоя, оборудованного секциями механизированной крепи, и создание распора между кровлей и тумбами путем подклинивания лесоматериалом (2).

Недостатком известного способа является то, что вследствие принятой схемы укладки блоков в полосе каждый блок контактирует с четырьмя окружающими его блоками, а именно с двумя соседними блоками в тумбе по плоскостям соприкосновения по горизонтали и с двумя блоками соседних тумб по их торцевым боковым сторонам. Такая конструкция охранной полосы, реализованная по данному способу, под влиянием сил горного давления подвержена потери ее устойчивости, выражающейся в возможности искривления оси каждой тумбы или отклонения ее от от нормали к плоскости пласта, и, как следствие, полной потери ее несущей способности. В результате этого происходит снижение эксплуатационного состояния охраняемой выработки, требующее значительных материальных и трудовых затрат на ремонтно-восстановительные работы в повторно используемых подготовительных выработках.

Другим недостатком известного способа является то, что не решен вопрос дифференцированного подхода к оценке состояния устойчивости пород непосредственной кровли пласта, а поэтому возведение охранной полосы из тумб вслед за подвиганием очистного забоя повышает концентрацию работ на участке сопряжения очистного забоя с прилегающей выработкой и, как следствие, снижается безопасность работ на этом опасном участке.

В результате описанные обстоятельства снижают эффективность использования известного способа охраны подготовительных выработок при повторном их использовании.

В основу изобретения поставлена задача повысить эффективность использования способа охраны подготовительных выработок при бесцеликовой отработке угольных пластов, имеющих в кровле породы не ниже средней устойчивости.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого изобретения, является улучшение эксплуатационных качеств поддерживаемой за очистным забоем выработки путем повышения несущей способности охранной полосы за счет повышения ее устойчивости, достигаемого увеличением технологических связей между блоками охранной полосы, воспринимающей силы горного давления как цельная конструкция, а также снижение концентрации работ в зоне сопряжения очистного забоя с охраняемой подготовительной выработкой.

Для достижения поставленной задачи в способе охраны подготовительной выработки, включающем укладку в выработанном пространстве на бровке выработки отдельных блоков друг на друга послойно с формированием охранной полосы вдоль выработки вслед за подвиганием очистного забоя, оборудованного секциями механизированной крепи, и создание распора между блоками верхнего слоя и кровлей пласта путем подклинивания податливым элементом, согласно изобретению предварительно определяют длину L пролета кровли между крайней секцией механизированной крепи и крайним блоком верхнего слоя охранной полосы по формуле

где σ_p - прочность пород на растяжение, кгс/см²;
m_сл - мощность нижнего слоя пород непосредственной кровля над выработкой, см;
γ - удельный вес пород кровли, кг/см³,
при этом формирование охранной полосы осуществляют на длине, меньшей или равной длине L пролета, для чего независимо от принятой длины L пролета вслед за подвиганием очистного забоя и передвижением секций механизированной крепи на первой частичной длине l₁ вновь образуемого пролета укладку блоков начинают от почвы пласта и таким образом, что каждый блок последующего слоя смещают относительно каждого блока предыдущего слоя с образованием ступеней лестничного профиля в продольном направлении охранной полосы, заполняя при этом блоками часть оставшегося свободного пространства на длине L предыдущего пролета, затем по мере дальнейшего передвижения секций механизированной крепи на каждых очередных частичных длинах l₁ вновь образуемого пролета процесс укладки блоков на упомянутых длинах осуществляют аналогично процессу укладки блоков на первой частичной длине l₁ вплоть до полного заполнения ими свободного пространства на длине L предыдущего пролета и частичного заполнения этими блоками свободного пространства на длине L вновь образованного пролета, в дальнейшем продолжают цикл работ по укладке блоков на длине L последующих пролетов с обеспечением распора между блоками верхнего слоя и кровлей пласта, осуществляемого на каждой частичной длине l₁ вновь образуемого пролета, причем длину "а" каждой ступени выбирают экспериментально в пределах 30 см<а<5 см и так, чтобы обеспечить устойчивость нижнего слоя пород непосредственной кровли пласта на длине L пролета, о которой судят из следующего неравенства:

где а - длина ступени, см;
m_пл - мощность пласта, см;
h_бл - высота блока, см;
L - длина пролета кровли, см;
h_п - толщина податливого элемента, см,
при этом действия по определению длины L каждого пролета и проверке условий соблюдения устойчивости обнаженной кровли на этой длине L пролета повторяют при изменении строения нижнего слоя пород непосредственной кровли пласта.

Причем длину блока принимают не более частичной длины l₁ вновь образуемого пролета, которую, в свою очередь, принимают, равной шагу передвижения секций механизированной крепи.

В противоположность известному уровню техники заявляемый способ отличается технологической простотой, улучшает эксплуатационные качества охраняемой за очистным забоем выработки, а также снижает концентрацию работ в зоне сопряжения очистного забоя с подготовительной выработкой.

Данный технический результат достигается совокупностью вышеперечисленных существенных признаков заявляемого способа, доказательство которого приводим ниже.

Для формирования охранной полосы вдоль выработки с отставанием от крайней секции механизированной крепи предварительно определяют длину L пролета кровли между упомянутой секцией крепи и крайним блоком верхнего слоя охранной полосы по формуле

где σ_p - прочность пород на растяжение, кгс/см²;
m_сл - мощность нижнего слоя непосредственной кровли над выработкой, см;
γ - удельный вес пород кровли, кг/см³.

В результате появляется возможность разделить в пространстве работы по формированию охранной полосы и операции, выполняемые на концевом участке очистного забоя.

Образование пролета кровли длиной L за секциями механизированной крепи способствует снижению концентрации работ на сопряжении "очистной забой-выработка" и повышает безопасность выполняемых операций.

При этом работы по формированию охранной полосы осуществляют на длине, меньшей или равной длине L пролета. Такой подход к выбору длины пролета принят для того, чтобы способствовать обеспечению удобства обслуживающего персонала при выполнении операций по укладке блоков в охранной полосе.

Обусловлено это тем, что если при относительно прочных породах кровли расчетная длина L пролета, определенная по вышеуказанной формуле, составляет значительную величину (свыше трех метров, что подтверждается также и шахтными исследованиями), то длину пролета целесообразно принять меньшей величины, чем расчетная.

Однако при относительно слабых породах кровли принимают расчетную длину L пролета, не превышающую трех метров. Уменьшение длины пролета в данном случае нецелесообразно, поскольку оно может привести к повышению концентрации работ в наиболее опасной зоне, которой является сопряжение очистного забоя с выработкой.

Укладка блоков вслед за подвиганием очистного забоя на частичную длину l₁ вновь образуемого пролета характеризуется образованием из этих блоков ступеней лестничного профиля в продольном направлении охранной полосы за счет того, что каждый блок последующего слоя смещают относительно каждого блока предыдущего слоя. Такой порядок укладки блоков на упомянутой длине l₁ позволит заполнить блоками часть оставшегося свободного пространства на длине L предыдущего пролета и предопределит возможность в дальнейшем при укладке блоков на очередных частичных длинах l₁ взаимоувязку этих блоков между собой в охранной полосе.

Процесс укладки блоков на каждых очередных частичных длинах l₁ вновь образуемого пролета осуществляется аналогично процессу укладки блоков на первой частичной длине l₁ вплоть до полного заполнения ими свободного пространства на длине L предыдущего пролета и частичного заполнения этими блоками свободного пространства на полной длине L вновь образованного пролета. Благодаря этому достигается технологическая связь каждого блока в охранной полосе с шестью окружающими его блоками вместо с четырьмя блоками по прототипу (2), и за счет этого уменьшается степень деформируемости полосы под действием сил горного давления, повышая таким образом ее устойчивость и соответственно несущую способность, а отсюда, как следствие, улучшаются эксплуатационные качества охраняемой выработки.

Причем распор между верхними блоками полосы и кровлей пласта путем подклинивания податливым элементом осуществляют между каждым из них и кровлей пласта на каждой частичной длине l₁ вновь образуемого пролета, что предопределяет возможность работы всех блоков в режиме заданной податливости.

Выбор длины "а" ступеней на каждой частичной длине l₁ вновь образуемого пролета производится экспериментально в пределах 30 см<а<5 см и зависит от длины L пролета кровли. Между упомянутыми параметрами изобретателями выведена зависимость, выражающаяся в виде следующего неравенства:

где а - длина ступени, см;
m_пл - мощность пласта, см;
h_бл - высота блока, см;
L - длина пролета кровли, см;
h_п - толщина податливого элемента, см.

В случае, если данное неравенство выполняется, то делают вывод об устойчивости пород кровли пласта на длине L пролета, если же это неравенство не выполняется, значит устойчивость на длине L пролета не будет обеспечена и необходимо уточнить длину "а", изменив ее в меньшую сторону.

Такой подход к оценке устойчивости пород кровли пласта на длине L пролета позволяет обеспечить безопасные условия при выполнении работ по сооружению охранной полосы.

Определение длины L пролета и проверка условий соблюдения устойчивости обнаженной кровли на этой длине в случае изменения строения нижнего слоя пород непосредственной кровли пласта позволяют оперативно контролировать качество в процессе формирования охранной полосы, что не предусмотрено прототипом (2) и, как следствие, улучшают эксплуатационное состояние охраняемой за очистным забоем выработки на весь срок ее службы.

Кроме того, длину блока принимают не более частичной длины l₁ вновь образуемого пролета, которую, в свою очередь, принимают, равной шагу передвижения секции механизированной крепи.

При выполнении этого условия не произойдет увеличения длины пролета более принятой величины и соответственно обнажения кровли пласта, обрушение пород которой возможно при сверхкритических значениях длины пролета.

Из изложенного следует, что совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого способа, позволяет сформировать охранную полосу с повышенной несущей способностью и соответственно улучшить эксплуатационные качества охраняемой за очистным забоем подготовительной выработки. Все это повышает эффективность использования заявляемого способа, а также снижает концентрацию работ в зоне сопряжения очистного забоя с подготовительной выработкой.

Таким образом, существенные признаки заявляемого изобретения находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом и из анализа уровня техники в данной области не очевидны явным образом для специалиста. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показан вид выемочного участка в плане; на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1; на фиг.3 - схема укладки блоков в охранной полосе.

Способ охраны подготовительной выработки реализуется следующим образом.

По мере подвигания очистного забоя 1, оборудованного секциями 2 механизированной крепи, в выработанном пространстве 3 пласта на бровке охраняемой выработки 4 послойно укладывают друг на друга отдельные блоки 5, формируя таким образом охранную полосу 6 позади очистного забоя 1 параллельно выработке 4.

Для формирования охранной полосы 6 из блоков 5 с отставанием от крайней секции 2 механизированной крепи предварительно определяют длину L пролета кровли между упомянутой секцией 2 крепи и крайним блоком верхнего слоя охранной полосы 6 по формуле

где σ_p - прочность пород на растяжение, кг/см²;
m_сл - мощность нижнего слоя пород непосредственной кровли над выработкой, см;
γ - удельный вес пород кровли, кг/см³,
При этом укладку блоков 5 в охранной полосе 6 осуществляют на длине, меньшей или равной L пролета в зависимости от прочности пород кровли.

Так, если при относительно прочных породах кровли расчетная длина L, определенная по формуле (1), составляет значительную величину (подразумевается более трех метров, подтвержденных шахтными исследованиями), то длину пролета целесообразно принять меньшей величины, чем расчетная. Такой подход к выбору данного параметра способствует обеспечению удобства обслуживающего персонала по укладке блоков 5 в полосе 6.

При относительно слабых породах кровли принимают расчетную длину L пролета, не превышающую трех метров, для того чтобы также обеспечить вышеописанные условия для обслуживающего персонала.

Однако независимо от принятой длины L пролета принцип укладки блоков 5 в полосе 6 идентичен.

Рассмотрим процесс реализации способа, когда на начало образования очередного пролета предыдущий пролет длиной L частично заполнен блоками 5, и который выполняют в следующей последовательности.

Вслед за подвиганием очистного забоя 1 и передвижением секций 2 механизированной крепи на первичной частичной длине l₁ вновь образуемого пролета 7 укладывают первый блок 5 на почву пласта, причем длину блока 5 принимают не более частичной длины l₁ вновь образуемого пролета, которая в свою очередь равна шагу передвижения секции 2 крепи.

Все последующие блоки 5 на этой длине l₁ размещают так, что каждый блок 5 последующего слоя смещают относительно каждого блока 5 предыдущего слоя с образованием ступеней 8 лестничного профиля в продольном направлении охранной полосы 6 и ориентированием их в противоположную сторону от очистного забоя 1.

Причем при таком ориентировании блоков 5 происходит заполнение ими части оставшегося пространства на длине L предыдущего пролета 9. После укладки последнего блока 5 между ним и кровлей остается зазор, который заклинивают податливым элементом 10, например, лесоматериалом.

По мере дальнейшего передвижения секций 2 механизированной крепи на каждых очередных частичных длинах l₁ вновь образуемого пролета 7 процесс укладки блоков 5 на упомянутых длинах l₁ осуществляют аналогично процессу укладки блоков 5 на первой частичной длине l₁ вновь образуемого пролета 7, при этом блоками 5 полностью заполняется свободное пространство на длине L предыдущего пролета 9 и частично заполняется свободное пространство на длине L вновь образованного пролета 7. На этом процесс образования пролета 7 завершен при обеспечении распора между блоками 5 верхнего слоя и кровлей пласта (фиг. 3, на которой показаны тонкими линиями вновь уложенные блоки 5 на длине L вновь образованного пролета).

В дальнейшем продолжают описанный цикл работ по укладке блоков 5 на длине L последующих вновь образуемых пролетов.

Причем длину "а" каждой ступени 8 выбирают экспериментально в пределах 30 см<а<5 см и так, чтобы обеспечить устойчивость нижнего слоя пород непосредственной кровли пласта на длине L пролета, о которой судят из следующего неравенства:

где а - длина ступени, см;
m_пл - мощность пласта, см;
h_бл - высота блока, см;
L - длина пролета кровли, см;
h_п - толщина податливого элемента, см.

В случае изменения строения нижнего слоя пород непосредственной кровли пласта длину пролета L определяют по формуле (1) и, подобрав экспериментально длину "а" ступени, по формуле (2) проверяют, удовлетворяет ли длина L пролета этому неравенству. Если удовлетворяет ему, то устойчивость пород нижнего слоя непосредственной кровли на длине L пролета обеспечена. При невыполнении указанного неравенства корректируют длину "а" ступени.

Такой порядок укладки блоков 5 в охранной полосе 6 позволяет иметь всегда свободный пролет по кровле и увеличить технологическую связь каждого блока с окружающими блоками с четырех, как в прототипе (2), до шести блоков. В результате охранная полоса работает как цельная конструкция при взаимодействии с боковыми породами, не деформируется и сдерживает их смещение.

Таким образом, реализация заявляемого способа позволяет повысить устойчивость охранной полосы и соответственно ее несущую способность, а отсюда обеспечиваются улучшенные эксплуатационные качества охраняемой выработки, повторно используемой за очистным забоем.

По описываемому способу охраны подготовительной выработки проведена опытная проверка на шахтах ОАО "Воркутауголь", отрабатывающих пласт Четвертый, которая подтвердила высокую несущую способность охранной полосы, соответственно, и эксплуатационную надежность охраняемых выработок (уменьшена степень деформируемости элементов металлокрепи) и их соответствие требованиям "Правил безопасности в угольных шахтах".

Источники информации
1. Журнал "Уголь", 1985, 6, с. 14-15.

2. Охрана подготовительных выработок без целиков/ Бажин Н.П., Райский В. В., Волков Ю.В. и др., М., "Недра", 1975, с. 74-78 (прототип).

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для охраны подготовительных выработок при бесцеликовой отработке угольных пластов. Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных качеств поддерживаемой за очистным забоем выработки. Способ включает укладку в выработанном пространстве на бровке выработки отдельных блоков друг на друга послойно с формированием охранной полосы вдоль выработки вслед за подвиганием очистного забоя, оборудованного секциями механизированной крепи, и создание распора между блоками верхнего слоя и кровлей пласта путем подклинивания податливым элементом. Предварительно определяют длину пролета кровли между крайней секцией механизированной крепи и крайним блоком верхнего слоя охранной полосы по приведенному математическому выражению. Формирование охранной полосы осуществляют на длине, меньшей или равной длине пролета, для чего независимо от принятой длины пролета вслед за подвиганием очистного забоя и передвижением секций механизированной крепи на первой частичной длине вновь образуемого пролета укладку блоков начинают от почвы пласта и так, что каждый блок последующего слоя смещают относительно каждого блока предыдущего слоя с образованием ступеней лестничного профиля в продольном направлении охранной полосы, заполняя при этом блоками часть оставшегося свободного пространства на длине предыдущего пролета. Затем по мере дальнейшего передвижения секций механизированной крепи на каждых очередных частичных длинах вновь образуемого пролета процесс укладки блоков на упомянутых длинах осуществляют аналогично процессу укладки блоков на первой частичной длине вплоть до полного заполнения ими свободного пространства на длине предыдущего пролета и частичного заполнения этими блоками свободного пространства на длине вновь образованного пролета. В дальнейшем продолжают цикл работ по укладке блоков на длине последующих пролетов с обеспечением распора между блоками верхнего слоя и кровлей пласта, осуществляемого на каждой частичной длине вновь образуемого пролета, причем длину каждой ступени выбирают экспериментально в пределах от 30 до 5 см и так, чтобы обеспечить устойчивость нижнего слоя непосредственной кровли пласта на длине пролета, о которой судят по приведенному неравенству. Действия по определению длины каждого пролета и проверке условий соблюдения устойчивости обнаженной кровли на этой длине пролета повторяют при изменении строения нижнего слоя пород непосредственной кровли пласта. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ охраны подготовительной выработки, включающий укладку в выработанном пространстве на бровке выработки отдельных блоков друг на друга послойно с формированием охранной полосы вдоль выработки вслед за подвиганием очистного забоя, оборудованного секциями механизированной крепи, и создание распора между блоками верхнего слоя и кровлей пласта путем подклинивания податливым элементом, отличающийся тем, что предварительно определяют длину L пролета кровли между крайней секцией механизированной крепи и крайним блоком верхнего слоя охранной полосы по формуле

где σ_p - прочность пород на растяжение, кгс/см²;
m_сл - мощность нижнего слоя непосредственной кровли над выработкой, см;
γ - удельный вес пород кровли, кг/см³,
при этом формирование охранной полосы осуществляют на длине, меньшей или равной длине L пролета, для чего независимо от принятой длины L пролета вслед за подвиганием очистного забоя и передвижением секций механизированной крепи на первой частичной длине l₁ вновь образуемого пролета укладку блоков начинают от почвы пласта и так, что каждый блок последующего слоя смещают относительно каждого блока предыдущего слоя с образованием ступеней лестничного профиля в продольном направлении охранной полосы, заполняя при этом блоками часть оставшегося свободного пространства на длине L предыдущего пролета, затем по мере дальнейшего передвижения секций механизированной крепи на каждых очередных частичных длинах l₁ вновь образуемого пролета процесс укладки блоков на упомянутых длинах осуществляют аналогично процессу укладки блоков на первой частичной длине l₁ вплоть до полного заполнения ими свободного пространства на длине L предыдущего пролета и частичного заполнения этими блоками свободного пространства на длине L вновь образованного пролета, в дальнейшем продолжают цикл работ по укладке блоков на длине L последующих пролетов с обеспечением распора между блоками верхнего слоя и кровлей пласта, осуществляемого на каждой частичной длине l₁ вновь образуемого пролета, причем длину "а" каждой ступени выбирают экспериментально в пределах 30 см < а < 5 см и так, чтобы обеспечить устойчивость нижнего слоя непосредственной кровли пласта на длине L пролета, о которой судят из следующего неравенства:

где а - длина ступени, см;
m_пл - мощность пласта, см;
h_бл - высота блока, см;
L - длина пролета кровли, см;
h_п - толщина податливого элемента, см,
при этом действия по определению длины L каждого пролета и проверке условий соблюдения устойчивости обнаженной кровли на этой длине L пролета повторяют при изменении строения нижнего слоя пород непосредственной кровли пласта. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длину блока принимают не более частичной длины l₁ вновь образуемого пролета, которую принимают равной шагу передвижения секций механизированной крепи.