Временная защитная породная перемычка Российский патент 2020 года по МПК E21F17/103 E21F5/00 

Изобретение относится к способам защиты и предназначено для ослабления ударных воздушных волн (УВВ) в горных выработках с целью сохранения подземных сооружений и коммуникаций, а предпочтительно - для защиты охраняемого (основного) объема от возможных аварийных ситуаций (при взрыве и распространении УВВ большой мощности). Может быть применено при ведении взрывных работ при сверхрасчетных параметрах УВВ, а также для защиты прохода к основному защищаемому объему от УВВ большой и сверхрасчетной мощности при распространении последней по соединительной горной выработке.

Известно «Тепловолногасительное устройство гашения УВВ многократного действия» по патенту РФ: RU 2249113 С1 от 27.03.2005, МПК E21F 17/103, E21F 5/00 - [1], состоящее из канала горной выработки с выполненными в нем секциями скважин, при этом каждая скважина секции снабжена коноидальным отверстием на входе в горную породу, а в конце скважины - камерами разрушенной горной породы, удаленными друг от друга и от продольной оси канала, отличающееся тем, что каждая секция скважин канала выполнена с пилообразной поверхностью, выступы которой направлены против предполагаемого направления ударных воздушных волн (УВВ), во впадинах выступов расположены коноидальные отверстия, от которых скважины расположены под углом ±(10…70°) к предполагаемому направлению УВВ. В данном устройстве УВВ гасится за счет ее затекания в коноидальные расширения в поверхности прохода на входе в горную породу и далее по скважинам в камеры разрушенной горной породы. Изобретение обладает низкой эффективностью гашения УВВ, особенно в продольном направлении.

Известно «Устройство для защиты от ударной воздушной волны в шахтных проходах» по патенту RU 2167304 С1 от 20.05.2001, МПК E21F 5/00 - [2], содержащее полые элементы, закрепленные на шахтном проходе с шагом, равным 2…4 диаметра шахтного ствола, выполненные в виде тонкостенных оболочек с герметичными вакуумированными полостями, при чем часть тонкостенных оболочек выполнена в виде колонн. В данном устройстве УВВ гасится за счет сминания тонкостенных оболочек (затрачиванием энергии сминания УВВ), и за счет расширения УВВ в смятых полостях тонкостенных оболочек. Устройство обладает низкой эффективностью гашения УВВ, особенно в продольном направлении. Кроме того, гашение УВВ происходит при значительном количестве и распределении тонкостенных оболочек по проходу горной выработки. Также реализация устройства требует больших затрат качественного металла (для сохранения вакуума) на тонкостенные оболочки, что удорожает его применение.

Известна временная защитная породная перемычка (книга: Гурин А.А., Малый П.С., Савенко С.К. Ударные воздушные волны в горных выработках. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Недра, 1983, стр. 163, рис. 8.14.) - [3], содержащая предварительно обрушенную в проходе горную породу, полностью закрывающую собой ее объем, причем спереди перемычка имеет наклонную под острым углом по направлению УВВ восстающую компенсационную камеру - тупиковый тоннель.

Недостатком известной временной защитной породной перемычки [3] является:

- сложность сооружения и технологии возведения наклонной компенсационной камеры;

- недостаточная эффективность гашения УВВ в одной восстающей выработке (горном проходе);

Известна временная защитная породная перемычка (книга: Гурин А.А., Малый П.С., Савенко С.К. Ударные воздушные волны в горных выработках. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Недра, 1983, стр. 162, рис. 8.13.) - [4], содержащая обрушенную горную породу, находящуюся в проходе с врубами и полностью его закрывающая, которая образована предварительной проходкой вееров спаренных восстающих, закладкой в них шпуровых зарядов и подрывом последних в очередности от окончаний веера спаренных восстающих к его центру.

Недостатком аналога [4] является то, что при воздействии на нее УВВ сверхрасчетных значений она (перемычка) может не выдержать такой нагрузки и допустить прорыв сверхрасчетной УВВ в защищаемый объем. Кроме того, после погашения УВВ или серий УВВ необходимы значительные материальные и временные затраты по ликвидации защитной временной перемычки и обеспечения необходимости прохода в основной защищаемый объем.

Известен «Способ защиты от ударной воздушной волны временной породной перемычкой» по патенту РФ: RU 2236598 С1 от 20.09.2004, МПК E21F 5/00, E21F 17/103 - [5], а также устройство для его реализации, раскрытое в графических материалах аналога. Устройство защитной временной породной перемычки по способу [5] состоит из расположенных в горной выработке (тоннеле) перед защищаемым объемом вееров спаренных восстающих с заложенными в них шпуровыми зарядами взрывчатого вещества. После вееров спаренных восстающих в сторону защищаемого объема горная выработка содержит расположенный на своде горной выработки (тоннеля) армированный анкерами выступ. Перед веерами спаренных восстающих (первым "веером спаренных восстающих") в сторону, противоположную защищаемому объему, в подошве горной выработки (тоннеля) расположен закрытый плитой с расположенным под ней по ее периметру зарядом взрывчатого вещества приямок, по объему равный или больше, чем расчетный объем обрушаемой породы временной перемычки. На входе в защищаемую горную выработку (тоннель) перед защищаемым объемом и расположением вееров спаренных восстающих на достаточном (расчетном) расстоянии для срабатывания шпуровых зарядов и образования временной породной перемычки расположен датчик. Усиленный анкерами выступ устроен в самом слабом месте породной перемычки. Усиленный анкерами выступ устроен в самом слабом месте породной перемычки (после обрушения взрывом породы), а именно сверху он укрепляет породную перемычку и не допустит прорыва УВВ в защищаемый объем. Закрытый плитой приямок могут устраивать непосредственно под веерами спаренных восстающих, при этом плиту подбирают на нагрузку как удара от масс обрушаемой породы, так и на нагрузку от утилизации энергии сверхрасчетной УВВ на временной породной перемычке. Датчик срабатывает только на прохождение разрушающей УВВ сверхрасчетных параметров. От датчика сигнал подается в автоматическую систему управления подрыва шпуровых зарядов взрывчатого вещества, а при прохождении УВВ малой мощности объем защищается известными способами, например использованием дверей, ворот, убираемых временных перемычек и т.д. Датчик располагают на определенном (расчетном) расстоянии от защищаемого объема и веерных спаренных восстающих, которое позволит при прохождении УВВ от датчика к сооружаемой породной перемычке заблаговременно подорвать (в указанной выше последовательности) шпуровые заряды и обрушить горную породу, тем самым перекрыть полностью горную выработку (тоннель), ведущую к защищаемому объему. Датчик может располагаться, например, на временной перегородке (дверях) и т.д.

Недостатком устройства защитной временной породной перемычки по способу [5] также является то, что при воздействии на нее УВВ сверхрасчетных значений она (перемычка) может не выдержать такой нагрузки и допустить прорыв сверхрасчетной УВВ в защищаемый объем. Кроме того, при воздействии УВВ сверхрасчетных значений есть вероятность срабатывания взрывчатого вещества заложенного под плитой закрывающей приямок, что снижает надежность технического решения в целом.

Прототипом заявленного изобретения является «Временная защитная породная перемычка» по патенту РФ: RU 2249114 С1 от 27.03.2005, МПК E21F 17/103, E21F 5/00 - [6], содержащая обрушенную горную породу, находящуюся в проходе с врубами и полностью его закрывающая, которая образована предварительной проходкой вееров спаренных восстающих, закладкой в них шпуровых зарядов. В горной породе перед временной породной перемычкой выполнены два сопряженных боковых горизонтальных тупиковых тоннеля под острыми углами ±40…60° к направлению ударной воздушной волны (УВВ) поперечной площадью, равной площади сечения основного прохода, и длиной 5…5 размеров ширины прохода. Со стороны входа УВВ углы поверхностей сопряжения защищаемого прохода и тупиковых тоннелей выполнены закругленными.

Недостатком прототипа [6] является то, что для ликвидации такой породной защитной перемычки необходимы значительные энергетические и временные затраты по транспортировке фракций обрушенной породы из горной выработки в горизонтальные тупиковые тоннели.

Вышеприведенный недостаток ставят задачу минимизации энергетических и временных затрат по освобождению прохода горной выработки от временной защитной породной перемычки (ВЗПП), а именно для снижения энергетических и временных затрат по транспортировке обрушенной породы из горной выработки в горизонтальные тупиковые тоннели.

Указанная задача (сущность изобретения) достигается тем, что ВЗПП, содержащая обрушенную горную породу, находящуюся в проходе с врубами и полностью его закрывающая, которая образована предварительной проходкой вееров спаренных восстающих, закладкой в них шпуровых зарядов, при этом в горной породе перед ВЗПП выполнены два сопряженных боковых тупиковых тоннеля под острым углом к направлению УВВ, поперечной площадью равной площади сечения основного прохода и длинной 5…15 размеров ширины прохода, при этом два сопряженных боковых тупиковых тоннеля дополнительно выполнены наклонными вниз от основного прохода под углом - 15…50° к направлению УВВ. Угол наклона - «минус» 15…50° к направлению УВВ в основном зависит от расчетной величины фракций обрушенной породы, а также от других расчетных параметров.

Техническим результатом является снижение энергетических и временных затрат по освобождению прохода горной выработки от обрушенной временной защитной породной перемычки, а именно по облегчению заполнения обрушенной породы из прохода горной выработки в тупиковые тоннели.

Технический результат достигается тем, что при заполнении дополнительно наклонных вниз («низходящих») двух тупиковых тоннелей расположенных от основного прохода под углом - 15…50° (вниз) к направлению УВВ, обрушенной породой из прохода горной выработки, порода под действием силы тяжести будет самостоятельно осыпаться и заполнять эти два тупиковые тоннели. При этом в заявленном техническом решении, как и в прототипе, сохраняется высокая эффективность гашения в двух тупиковых тоннелях УВВ, в том числе и сверхрасчетных значений, что гарантированно не допустит прорыва сверхрасчетной УВВ в защищаемый объем.

В заявленном техническом решении, также как и в прототипе использована образованная ВЗПП из горной породы, обрушенной в проход с врубами и полностью его закрывающая. ВЗПП образованна предварительной проходкой вееров спаренных восстающих, закладкой в них шпуровых зарядов и подрывом последних (от сигнала датчика, вынесенного в направлении прихода сверхрасчетной УВВ) в очередности от окончаний веера спаренных восстающих к его центру. Сверхрасчетная УВВ дополнительно ослабляется в двух сопряженных боковых тупиковых тоннелях, расположенных в горизонтальной проекции (вид сверху) под острыми углами ±40…60° к направлению УВВ (угол сопряжения зависит от типа горной породы). Два боковые тупиковые тоннели выполнены поперечной площадью равной площади сечения основного прохода и длинной 5…15 размеров ширины прохода, при этом со стороны подхода УВВ углы поверхностей сопряжения прохода (в защищаемый объем горной выработки) и тупиковых тоннелей выполнены закругленными. В отличие от прототипа два сопряженных боковых тупиковых тоннеля дополнительно выполнены наклонными вниз от основного прохода под углом - 15…50° (например, - 45°) к направлению УВВ. Это позволяет существенно снизить энергетические и временные затраты по освобождению прохода горной выработки от обрушенной ВЗПП. Так как обрушенной породы из прохода горной выработки в будет заполняться частично использую силу тяжести Земли, под действием которой фракций обрушенной породы ВЗПП будут скатывается (ссыпаться) к нижним торцам двух тупиковых тоннелей.

Два сопряженных боковых низходящих тупиковых тоннеля существенно снизят нагрузку от УВВ на ВЗПП и, тем самым, гарантированно не допустят прорыв сверхрасчетной УВВ в защищаемый объем. Тупиковые тоннели технологичны в изготовлении, и после гашения УВВ используются для размещения в них, фракций горной породы от ВЗПП. Расположение двух сопряженных боковых горизонтальных тупиковых тоннеля, под острыми углами ±40…60° к направлению УВВ, приводит к существенному отводу энергии УВВ от ВЗПП. Угол сопряжения (например, 50°) зависит от типа горной породы. Выполнение сопряженных горизонтальных тупиковых тоннелей, поперечной площадью равной площади сечения основного прохода, позволит без скачков волн УВВ (уплотнения - разрежения, которые могут оказать вредное дополнительное воздействие на временную защитную породную перемычку) перенаправить энергию УВВ в тупиковые тоннели. Выполнение сопряженных горизонтальных тупиковых тоннелей длинной 5…15 (например, 12) размеров ширины прохода и по объему равных или больше, чем расчетный объем обрушаемой породы временной перемычки, позволит оптимально и эффективного гасить энергию УВВ. При этом надо исходить (находить оптимальное решение по длине тоннелей) от угла сопряжения, типа грунта и стоимости проходки этих тоннелей. После гашения на ВЗПП и в тупиковых тоннелях энергии УВВ (или серий воздействий УВВ), породу ВЗПП можно с минимальными энергетическими и временными затратами убрать в свободные объемы использованных для гашения УВВ низходящих тупиковых тоннелях, находящихся в непосредственной близости от места сооружения ВЗПП, а именно перед ней. То есть, быстро обеспечить проходимость прохода в защищаемый объем.

На фиг. 1 представлен продольный разрез В-В ВЗПП после ее образования взрывом в проходе горной выработки, и в месте проходки вееров спаренных восстающих, а также в месте устройства двух сопряженных боковых низходящих тупиковых тоннелей под острыми углами к направлению УВВ.

На фиг. 2 - продольный разрез В-В после восстановления проходимости прохода горной выработки с уборкой фракций ВЗПП в низходящие тупиковые тоннели.

На фиг. 3 - вид сверху продольного разреза Д-Д горной выработки после гашения энергии УВВ и уборки фракций породы в низходящие тупиковые тоннели, то есть после восстановление проходимости прохода.

На фиг. 4 - схематический вид предварительной подготовки для сооружения взрывом ВЗПП в горной выработке, а именно:

- на фиг. 4 а) - поперечный разрез А-А горной выработки (защищаемого прохода с врубами) в месте проходки вееров спаренных восстающих;

- на фиг. 4 б) - продольный разрез В-В горной выработки (защищаемого прохода и низходящих тупиковых тоннелей);

- на фиг. 4 в) - вид снизу вверх продольного разреза Б-Б горной выработки;

- на фиг. 4 г) - поперечный разрез Г-Г горной выработки с низходящими тупиковыми тоннелями.

ВЗПП 1 содержит обрушенную горную породу, находящуюся в проходе 2 с врубами 3 и полностью его закрывающая, которая образована предварительной проходкой вееров спаренных восстающих 4 (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5 и 4.6), закладкой в них шпуровых зарядов и подрывом последних в очередности от окончаний веера спаренных восстающих к его центру. В горной породе перед временной породной перемычкой 1 выполнены два сопряженных боковых низходящих тупиковых тоннеля 5 расположены в горизонтальной проекции под острыми углами ±40~60° к направлению УВВ 7 поперечной площадью, равной площади сечения основного прохода, и длиной 5~15 размеров ширины прохода. При этом два сопряженных боковых тупиковых тоннеля 5 выполнены наклонными вниз (низходящими) от основного прохода под углом - 15…50° (например, - 45°) к направлению УВВ. Со стороны подхода УВВ 7 углы поверхностей сопряжения защищаемого прохода 2 и низходящих тупиковых тоннелей 5 выполнены закругленными. После защиты от разрушительного действия УВВ и обеспечения проходимости прохода 2 горную породу 6 перемычки 1 складируют ссыпанием в низходящие тупиковые тоннели 5.

Работает заявленное техническое решение - устройство следующим образом:

Первоначально и заблаговременно в проходе 2 перед защищаемым породной перемычкой объемом возводят веерные спаренные восстающие 4 (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5 и 4.6) и закладывают в них шпуровые заряды. Затем, со стороны планируемого подхода УВВ 7, до места образования перемычки выполняют два сопряженных боковых низходящие, наклонные вниз под углом - 15…50° (например, - 45°) к направлению УВВ 7 тупиковых тоннеля 5 под острыми углами ±40…60°, также к направлению подхода УВВ 7 поперечной площадью, равной площади сечения основного прохода, и длиной 5…15 размеров его ширины. При необходимости сооружения временной породной перемычки подрывают шпуровые заряды, расположенные в веерных восстающих 4 в очередности от окончаний веера спаренных восстающих к его центру. При подрыве шпуровых зарядов в веерных спаренных восстающих 4 горная порода обрушивается и полностью перекрывает проход 2, при этом ВЗПП 1 готова для гашения УВВ 7 расчетной и сверхрасчетной мощности. При подходе УВВ 7 частично гасится на временной породной перемычке 1, а частично разделяется и поступает для дальнейшего гашения в два низходящие тупиковые тоннели 5 (для снижения нагрузки на ВЗПП 1). В двух низходящих тупиковых тоннелях 5 УВВ 7 гасится как за счет поглощения волны стенками тоннеля 5, так и за счет периодического отражения (переотражения).

После окончания действия УВВ 7 на ВЗПП 1 и на два низходящих тупиковых тоннеля 5, (после ликвидации возможных разрушений) фракции породы 6 ВЗПП 1 убирают в свободные объемы двух низходящих тупиковых тоннелей 5 и, тем самым, обеспечивают проходимость прохода 2 горной выработки в основной защищаемый объем. Уборку горной породы временной перемычки 1 выполняют механизированным способом.

Технико-экономическое преимущество изобретения заключается в том, что высокой эффективности защиты охраняемого (защищаемого) объема сооружением (при помощи взрыва) ВЗПП 1, существенно уменьшены энергетические и временные затраты последующего восстановления полной проходимости прохода горной выработки при ссыпании и складировании фракций породы 6 ВЗПП 1 в низходящих тупиковых тоннелях 5.

Предполагается, что предложенная ВЗПП 1 предназначена для защиты от УВВ 7 большой и сверх большой мощности однократного действия. При этом параметры и характеристики заявленной ВЗПП 1 не уступают защитным свойствам постоянных перемычек, например, из бетона, но при этом обеспечивается последующая полная проходимость прохода 2 горной выработки.

Создание ВЗПП в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым для общеизвестных устройств защиты от УВВ и, следовательно, соответствует критерию "новизна".

Совокупность признаков формулы изобретения не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных устройств защиты от УВВ, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень" (об этом свидетельствует также проведенный патентный поиск и ссылка на источники информации [1]-[6]).

Реализация предложенной временной защитной породной перемычки может быть осуществлена известными и применяемыми методами, технологиями и оборудованием, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".

Источники информации:

1. Патент РФ: RU 2249113 С1 от 27.03.2005, МПК E21F 17/103, E21F 5/00, «Тепловолногасительное устройство многократного действия».

2. Патент РФ: RU 2167304 С1 от 20.05.2001, МПК E21F 5/00, «Устройство для защиты от ударной волны в шахтных стволах».

3. Книга: Гурин А.А., Малый П.С., Савенко С.К. Ударные воздушные волны в горных выработках. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Недра, 1983, стр. 163, рис. 8.14.

4. Книга: Гурин А.А., Малый П.С., Савенко С.К. Ударные воздушные волны в горных выработках. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Недра, 1983, стр. 162, рис. 8.13.

5. Патент РФ: RU 2236598 С1 от 20.09.2004, МПК E21F 5/00, E21F 17/103, «Способ защиты от ударной воздушной волны временной породной перемычкой».

6. Патент РФ: RU 2249114 С1 от 27.03.2005, МПК E21F 17/103, E21F 5/00, «Временная защитная породная перемычка» - прототип.

Изобретение относится к способу защиты и предназначено для ослабления ударных воздушных волн (УВВ) большой и сверхрасчетной мощности в горных выработках с целью сохранения подземных сооружений и коммуникаций. Технический результат - снижение энергетических и временных затрат по освобождению прохода горной выработки от обрушенной временной защитной породной перемычки (ВЗПП), а именно по облегчению заполнения обрушенной породы из прохода горной выработки в тупиковые тоннели. ВЗПП (1) состоит из обрушенной взрывом горной породы, находящейся в проходе (2) с врубами (3) и полностью его закрывающей. ВЗПП (1) образована предварительной проходкой вееров спаренных восстающих (4), закладкой в них шпуровых зарядов. В горной породе перед ВЗПП (1) выполнены два сопряженных боковых тупиковых тоннеля (5) под острым углом к направлению УВВ (7) и поперечной площадью, равной площади сечения основного прохода (2), длиной 5…15 размеров ширины прохода (2). Два сопряженных боковых тупиковых тоннеля (5) дополнительно выполнены «нисходящими» - наклонными вниз от основного прохода (2) под острым углом 15…50° к направлению УВВ (7). 4 ил.

Временная защитная породная перемычка, содержащая обрушенную горную породу, находящуюся в проходе с врубами и полностью его закрывающую, которая образована предварительной проходкой вееров спаренных восстающих, закладкой в них шпуровых зарядов, при этом в горной породе перед временной защитной породной перемычкой выполнены два сопряженных боковых тупиковых тоннеля под острым углом к направлению УВВ поперечной площадью, равной площади сечения основного прохода, и длиной 5…15 размеров ширины прохода, отличающаяся тем, что два сопряженных боковых тупиковых тоннеля дополнительно выполнены «нисходящими», наклонными вниз от основного прохода под углом 15…50° к направлению УВВ.