Способ укрепления горной породы шахтной крепью Российский патент 2024 года по МПК E21D11/00 E21D20/00 

Изобретение относится к области горной промышленности, в частности к способам укрепления массивов горных пород, и может быть использовано при армировании поверхности элементов зданий и сооружений.

Известен способ армирования массивов (грунтов, оснований сооружений) не связанными между собой стержневыми элементами, расположенными в теле массива (Коробова О.А. Усиление оснований и реконструкция фундаментов.- Новосиб. гос. архитектур.- строит. ун-т. Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2008. 332 с.).

Недостатком является невозможность предотвращения разрушения горной породы по трещинам на поверхности массива, например, на своде горной выработки, вследствие отсутствия возможности локализовать указанными конструкциями массива вблизи отдельно взятой трещины, её интенсивного роста. Кроме того, обустройство данных конструкций на своде горной выработки является трудноосуществимым и затратным.

Известен способ укрепления торцевых частей железобетонных шпал путем дополнительного армирования каркасами, включающий размещение конструкции из неподвижно связанных между собой стержней (каркасов) перед процессом формовки шпалы, внутри массива шпалы (патент РФ № 2716373, МПК E01B 3/32).

Недостатком указанного способа является невозможность предотвращения разрушения горной породы по произвольно появляющимся в породе трещинам, вследствие отсутствия возможности заранее определить, локализацию трещины. Кроме того, обустройство конструкций с каркасом, утопленным в тело горного массива на своде шахтной выработки, является затратным.

Наиболее близким аналогом к заявляемому является способ, описанный в устройстве тросовой защиты склона, в том числе скального склона, с применением счалок, содержащее натянутые на поверхности горного массива тросы-стяжки, расположенные с пересечением с образованием сетки и узлы фиксации концов тросов к поверхности склона, состоящие, в том числе, из стержневых элементов (патент РФ № 186994, МПК E02D 17/20).

Недостатком является то, что его использование не дает возможности предотвратить разрушение массива трещиноватой горной породы за счет беспрепятственного, интенсивного развития трещин из-за отсутствия жесткой фиксации трещины в горной породе вследствие отсутствия жесткости элементов конструкции устройства (тросов, петель тросов, счалок). К тому же размещение указанного устройства на своде горной выработки связано с натяжением тросов и, по этой причине, является трудноосуществимым, затратным.

Техническая проблема, решаемая заявляемым способом, заключается в предотвращении разрушения трещиноватой горной породы за счет обеспечения должного уровня критической потенциальной энергии поверхности массива горной породы.

Технический результат заключается в применении мероприятий, обеспечении прекращения интенсивного роста трещины за счет снижения потенциальной энергии её раскрытия и повышения модуля упругости поверхности горной породы вблизи трещины путем размещения жестко-упругих стяжек со стороны не входящих в породу выступающих частей стержневых анкерных элементов.

Поставленная задача решается тем, что способ укрепления горной породы шахтной крепью, включающий размещение в горной породе стальных анкерных элементов с оголовками, согласно изменению, по меньшей мере два стержневых стальных анкерных элемента располагают перпендикулярно по обе стороны от трещины, стягивают жестко-упругими стяжками, образуя при этом ячеистую конструкцию с произвольной формой ячеек, причем один конец каждой из стяжек шарнирно закреплен в оголовок, а другой конец - выполнен с резьбовым участком для обеспечения жесткого соединения со стяжкой соседнего анкерного элемента.

Сущность конструкции, обеспечивающей реализацию способа поясняется чертежами.

На фиг. 1 схематично изображена схема расположения в горной породе трещины и стержневых стальных анкерных элементов с жестко-упругими стяжками на своде горной выработки, где 1 - трещина, 2 - стержневые стальные анкерные элементы, 3 - жестко-упругие стяжки с гайкой-муфтой соединительной стяжной удлиненной 4, 5 - свод горной выработки; 6 - горная порода.

На фиг. 2 схематично изображена схема расположения шахтной крепи по своду шахты, где 1 - трещина, 2 - стержневые стальные анкерные элементы, 3 - жестко-упругие стяжки с гайкой-муфтой соединительной стяжной удлиненной 4, 5 - свод горной выработки; 6 - горная порода, 7 - горная выработка.

На фиг. 3 изображен элемент конструкции предлагаемой шахтной крепи, где 2 - стержневой стальной анкерный элемент, 3 - жестко-упругие стяжки, 8 - оголовок, 9 - резьбовые участки жестко-упругих стяжек, 10 - петлеобразные участки жестко-упругих стяжек.

Предлагаемый способ укрепления горной породы шахтной крепью предназначен для обеспечения предотвращения интенсивного распространения трещины 1 (фиг. 1, 2). Элемент конструкции шахтной крепи состоит из стержневого стального анкерного элемента 2 (фиг. 1-3), на не входящий в породу торец которого насажен перфорированный стальной дискообразный оголовок 8 (фиг. 3), в котором по периметру выполнены от 4 до 6 сквозных отверстий для шарнирного закрепления к нему жестко-упругих стяжек 3 (фиг. 1-3) их петлеобразными участками 10 (фиг. 3). Способ укрепления горной породы шахтной крепью может быть также полезен для крепления последней на своде 5 (фиг. 1, 2) горной выработки 7 (фиг. 1).

Способ укрепления горной породы шахтной крепью осуществляют следующим образом.

При визуальном обнаружении трещины 1 (фиг. 1, 2) на своде 5 (фиг. 1, 2) горной выработки 7 (фиг. 2), а также предварительно в потенциально опасных местах в горной породе 6 (фиг. 1, 2) бурят отверстия - шпуры длиной h = 2050 мм (фиг. 1). Их количество и расположение выбирают в зависимости от различных критериев: характера трещины, её размеров, свойств горной породы и т. п. Шпуры выполняют попарно таким образом, чтобы они находились по обе стороны и перпендикулярно по отношению к расположению трещины 1 и возможному направлению её раскрытия на расстоянии t (фиг. 1), равном 1000 мм друг от друга. В шпуры до упора в перфорированные оголовки 8 (фиг. 3) устанавливают стержневые стальные анкерные элементы 2 (фиг. 1-3), выполненные, например, из стали марки Ст3. Далее каждую жестко - упругую стяжку 3 (фиг. 1-3) элемента конструкции (фиг. 3), шарнирно прикрепленную к оголовку 8 (фиг. 3) стержневого стального анкерного элемента 2 (фиг. 1-3), сочленяют торец в торец при помощи гайки-муфты соединительной стяжной удлиненной (далее по тексту: гайки-муфты) 4 (фиг. 1-2) с соседней жестко - упругой стяжкой 3, расположенной по другую сторону трещины.

Жесткое соединение противолежащих жестко-упругих стяжек 3 осуществляется с помощью гайки-муфты 4 (фиг. 1, 2). Для этого на свободных концах жестко-упругих стяжек 3 выполнены резьбовые участки 9 (фиг. 3), снабженные на одной стяжке - левой резьбой, а на противоположной стяжке - правой резьбой. Гайку-муфту 4 (фиг. 1, 2) также выполняют с одного торца с левой резьбой, а с другого торца - с правой резьбой. Вследствие этого гайка-муфта 4 при одновременном накручивании на обе противолежащие жестко - упругие стяжки 3, уменьшает расстояние между стержневыми анкерными элементами 2 (фиг. 1-3), стягивая их при этом.

В частном случае, при необходимости предотвращения появления новых трещин 1 (фиг. 1, 2) с непредсказуемым их направлением, используют большее количество элементов конструкции (фиг. 3) для образования сетчатой конструкции шахтной крепи, образованной несколькими стержневыми стальными анкерными элементами 2 и рядом жестко-упругих стяжек 3 (фиг. 1-3). При этом возможно получение сетчатой конструкции шахтной крепи с треугольной и ромбовидной ячейкой сетки.

Сдерживание раскрытия трещины объясняется следующим.

Раскрытие трещины 1 (фиг. 1, 2) определяется напряжениями, действующими в направлении, перпендикулярном её протяженности, и сдерживается жестко - упругими стяжками 3 (фиг. 1-3), деформация которых происходит по закону Гука. Поскольку деформация массива горной породы 6 (фиг. 1, 2) не будет превышать деформацию сетчатой конструкции предлагаемой шахтной крепи, состоящей из жестко-упругих стяжек 3 и стержневых стальных анкерных элементов 2, то возможность развития трещины 1 снижается.

Потенциальную энергию раскрытия трещины 1 в трещиноватой горной породе 6 рассчитывают по формуле Гриффитса (см например, Кочетов В.Т. Сопротивление материалов.- Издательство Ростовского университета, 1987, с. 330, ф-ла 19.3.10):

где - напряжение породы в трещине на своде горной выработки, МПа;

истинная удельная поверхностная энергия горной породы, DYN;

модуль упругости горной породы, МПа;

предельная расчетная длина трещины, мм.

Поэтому выполненная шахтная крепь увеличивает потенциальную энергию раскрытия трещины в n раз.

где - напряжение в жестко-упругой стяжке, МПа;

- напряжение горной породы, МПа;

- модуль упругости стали, МПа;

- модуль упругости горной породы, МПа.

При выбранной в качестве модели породы средней крепости, имеющей модуль деформации, в среднем, (например, доломиты, И.В. Баклашов, Б.А. Картозия «Механика подземных сооружений и конструкций крепей». Москва. «Недра». 1984 г. С. 17, табл. 22) уровень потенциальной энергии, необходимой для раскрытия трещины, увеличится, соответственно формуле (2), что предотвратит разрушение свода 5 (фиг. 1, 2) горной выработки 7 (фиг. 2) трещиноватой горной породы 6 (фиг. 1, 2).

Пример выполнения способа укрепления горной породы шахтной крепью.

Предлагаемый способ укрепления горной породы шахтной крепью использовался для предотвращения раскрытия трещин 1 (фиг. 1, 2) на своде 5 (фиг. 1, 2) горной выработки 7 (фиг. 2) в условиях шахты Сибайского подземного рудника.

На своде 5 (фиг. 1, 2) горной выработки 7 (фиг. 2) возле визуально обнаруженной трещины 1 (фиг. 1, 2) пробурили отверстия - шпуры диаметром 43 мм и длиной равной 2050 мм (фиг. 1, 2) промышленной установкой Boomer 282. Шпуры пробурили перпендикулярно расположению трещины 1, расположив попарно по обе стороны от неё и на расстоянии 1000 мм друг от друга (фиг. 1, 2), учитывая направление её раскрытия. Шпуры располагали в углах воображаемой сетки с квадратной ячейкой размером стороны 1000 мм. При помощи Boomer 282 в шпуры до упора в перфорированные оголовки 8 (фиг. 3), выполненные в виде дискообразной плиты диаметром 200 мм и толщиной 10 мм, установили выполненные из стали марки Ст 3 стержневые стальные анкерные элементы 2 (фиг. 1-3) диаметром поперечного сечения равным 46 мм и длиной - 2000 мм. При этом оголовки 8 были перфорированы шестью отверстиями диаметром 15 мм. Последние выполнены по периметру оголовка 8 с расстоянием от края дискообразной плиты до центра отверстия - 27,5 мм.

В отверстия оголовков 8 заведены петлеобразные концы 10 (фиг. 3) жестко-упругих стяжек 3, которые были замкнуты в петлю сваркой. При этом длина и диаметр поперечного сечения жестко-упругих стяжек 3 (фиг.1-3) равны 500 мм и 12 мм соответственно.

Затем противолежащие жестко-упругие стяжки 3 (фиг. 1-3), шарнирно закрепленные в отверстиях оголовков 8 (фиг. 3), протягивали в направлении близлежащих стальных стержневых анкерных элементов 2 (фиг. 1-3). Каждая жестко - упругая стяжка 3 (фиг. 1-3) была сочленена торец в торец с расположенной по другую сторону трещины 1 (фиг. 1, 2) жестко-упругой стяжкой 3 другого элемента конструкции шахтной крепи. Сочленение вышеуказанных жестко-упругих стяжек осуществлено за счет гайки-муфты 4 (фиг. 1, 2) длиной 100-120 мм, которая путем подбора устанавливается в промежуток между торцами резьбовых участков 9 (фиг. 3) жестко-упругих стяжек 3, а затем - накручивается.

При этом резьбовые участки 9 сочленяемых жестко-упругих стяжек 3 и гайки-муфты 4 выполнены с левой и правой резьбой. При одновременном накручивании гайки-муфты 4 на резьбовые участки 9 сочленяемых жестко-упругих стяжек 3 происходит стягивание последних.

Для предотвращения появления новых трещин 1 (фиг. 1, 2) использовали также сетчатую конструкцию предлагаемой шахтной крепи с треугольной и ромбовидной ячейкой сетки. При этом использовались элементы конструкции с дискообразными стальными оголовками 8 (фиг. 3), перфорированными шестью отверстиями, за которые были шарнирно закреплены петлеобразными участками 10 (фиг. 3) шесть жестко-упругих стяжек 3.

Для определения эффекта от использования признаков заявляемого способа проводили сравнительные испытания.

Испытания предложенной анкерно-сеточной арматуры проведены в условиях шахты Сибайского подземного рудника. Шахтную крепь устанавливали на четырех участках площадью массива: 50, 100, 150, 200 кв. м. Участки аналогичной площади без арматуры чередовались с армированными участками, что обеспечило сопоставимость результатов испытаний. Продолжительность испытаний составила 90 дней. Результаты сравнительных испытаний представлены в таблице 1.

Как видно из таблицы, количество появившихся трещин породы на своде горной выработки на участке без арматуры и на армированном участке было одинаковым. Однако снижение количества разрушений трещиноватой шахтной горной породы в зависимости от площади опытного участка значительно уменьшилось (см. таблицу).

Таким образом, заявляемый способ горной породы шахтной крепью позволяет укрепить трещиноватую горную породу, предотвращая её разрушение, в том числе свода, за счет предотвращения интенсивного (хрупкого) раскрытия трещины.

Таблица 1 Сравнительные результаты испытаний шахтной крепи Площадь опытных участков, кв. м Количество
обнаруженных трещин Количество обрушений и отслоений породы по трещинам На участке без армирования На участке, армирован-ном шахтной крепью на участке без армирования на армированном участке 50 3 3 2 не выявлено 100 5 5 5 1 150 7 7 6 2 200 10 10 7 2

Изобретение относится к области горной промышленности, в частности к способам укрепления массивов горных пород, и может быть использовано при армировании поверхности элементов зданий и сооружений. Способ включает размещение в горной породе стальных анкерных элементов с оголовками. По меньшей мере два стержневых стальных анкерных элемента располагают перпендикулярно к направлению раскрытия трещины по обе стороны от неё. Стягивают анкерные элементы жестко-упругими стяжками, образуя при этом ячеистую конструкцию с произвольной формой ячеек. Один конец каждой из стяжек шарнирно закреплен в оголовок, а другой конец сочленяют торец в торец соединительной стяжной гайкой-муфтой с соседней стяжкой. На свободных концах стяжек выполнены резьбовые участки, снабженные на одной стяжке левой резьбой, а на противоположной стяжке - правой резьбой. Гайку-муфту выполняют с одного торца с левой резьбой, а с другого торца - с правой резьбой. Техническим результатом является прекращение интенсивного роста трещины за счет снижения потенциальной энергии её раскрытия и повышения модуля упругости поверхности горной породы вблизи трещины. 3 ил., 1 табл.

Способ укрепления горной породы шахтной крепью, включающий размещение в горной породе стальных анкерных элементов с оголовками, отличающийся тем, что по меньшей мере два стержневых стальных анкерных элемента располагают перпендикулярно к направлению раскрытия трещины по обе стороны от неё, стягивают анкерные элементы жестко-упругими стяжками, образуя при этом ячеистую конструкцию с произвольной формой ячеек, причем один конец каждой из стяжек шарнирно закреплен в оголовок, а другой конец сочленяют торец в торец соединительной стяжной гайкой-муфтой с соседней стяжкой, при этом на свободных концах стяжек выполнены резьбовые участки, снабженные на одной стяжке левой резьбой, а на противоположной стяжке - правой резьбой, а гайку-муфту выполняют с одного торца с левой резьбой, а с другого торца - с правой резьбой.