Способ обеспечения устойчивости горных выработок Советский патент 1990 года по МПК E21D11/00 

Изобретение относится к горному делу, в частности к способам, обеспечивающим устойчивость горных выработок в различных горногеологических условиях, и может быть использовано на предприятиях угольной и горнорудной промышленности, а также при строительстве подземных сооружений.

Цель изобретения - уменьшение материальных и трудовых затрат, а также повышение безопасности работ.

Проводят и крепят выработку приконтурного массива горных пород, бурят контрольные шпуры по контуру выработки на расстоянии 1-3 м от забоя глубиной не менее ширины выработки вчерне и по ним определяют интенсивность трещиноватости пород через каждые 1,0-1,5 м подвигания забоя (за один цикл при буро-взрывных работах (БВР) или за одну заходку при проведении комбайном) на расстоянии 4-5 ширины выработки вчерне, затем определяют направление и область разрушения пород по периметру выработки и при размерах области разрушения до 50% производят дополнительное упрочнение этой области в забое выработки до их разрушения, а при разрушении более 50% периметра определяют момент затухания разрушений и только после этого производят упрочнение разрушенной области пород.

В качестве объекта контроля механических процессов принимается трещи нова тость горных пород и ее динамика, а также технологические воздействия на породы направленного характера с целью повышения их устойчивости, объем которых устанавливается в зависимости от динамики трещиноватости пород вокруг выработки.

сл vi

со

ас оо

Выбор в качестве объекта контроля механических процессов трещиноватости горных пород обусловлен следующим.

Механизм деформации и разрушения твердых тел существенно связан именно со структурой вещества. Контроль трещиноватости горных пород и ее динамики позволяет рассматривать не последовательность стадий механического процесса, а последовательность результатов этого процесса, дошедшего до разных стадий развития. Сходство динамики распределения густоты трещин и распространения деформаций глубоко закономерно и отражает статистическую сторону деформации и разрушения. При этом интенсивность (густота) трещиноватости выступает как мера остаточной деформации.

Появление трещины в породе однозначно определяет, что механические напряжения в этом месте достигли предела прочности породы, при этом нет необходимости определять как то, так и другое. Поэтому контроль механических процессов, происходящих в массиве пород, по результатам измерения перемещения контура выработки внутрь ее яе является объективным с точки зрения анализа результатов механических процессов. Так как нагрузка на крепь горной выработки и напряжения в бетонной оболочке являются производными от перемещения контура крепи, они также несут запаздывающую информацию о механических процес10

щиноватости необходимо осуществлять как можно ближе к забою выработки, чтобы выявить момент начала разрушений пород. Раньше этот фактор не учитывался, так как

5 определяли не начало разрушений пород, а только возможность их разрушения по контролю напряжений и смещений пород. Поэтому в способе предусмотрено бурение контрольных шпуров для непосредственного определения трещиноватости пород с целью выявления момента начала их разрушения на расстоянии 1-3 м от забоя выработки. При этом бурение контрольных шпуров на расстоянии от забоя менее 1 м по условиям технологии работ затруднительно, а на расстоянии более 3 м можно «упустить момент начала разрушения, следствием чего может быть больший объем работ по направленному укреплению пород.

Для выявления динамики трещиноватости частота контроля связывается с величи20 ной подвигания забоя за один цикл: в соответствии с данными практики при буровзрывном способе проведения она составляет 1,0-1,4 м, при комбайновом величина заход- ки составляет 1,0-1,5 м и обычно кратна

2д шагу установки крепи (0,5-1,0 м).

В способе предусмотрена частота контроля трещиноватости пород через 1,0-1,5 м по- двигания забоя. Пределы изменения параметра 1,0-1,5 м выбраны из следующих

15

сах в массиве горных пород. Своевремен- 30 соображений: частый контроль (через расстояние меньшее 1,0 м) не оправдан экономически, так как требует повышенных затрат на контроль; при редком контроле (через расстояние более 1,5 м) можно допустить значительное развитие трещиноватости, а

ное выявление мест возможного разрушения горных пород вокруг подготовительных выработок позволит путем направленного упрочнения добиться эффекта обеспечения устойчивости горных пород при значительно

меньших материальных и трудовых затратах. 35 значит и большие объемы разрушений пород, следствием чего будут повышенные заСечение современных подземных подгото- траты на укрепление пород, вительных выработок в проходе 20-30 м 2,Глубина контрольных шпуров опредепри этом периметр контура сечения выработ- ляется возможным размером зоны разру- ки достигает 20 м. Выполнение мероприятий шения пород вглубь массива. При этом по повышению прочности горных пород по 40 глубина контрольного шпура меньше 0,6

ширины выработки вчерне недопустима

всему контуру приводит к большим материальным и трудовым затратам. Так, в соответствии с существующими нормативными документами для обеспечения устойчивости

так как не будет охвачена контролеv трещиноватости вся возможная зона разрушения пород, а глубина контрольного шпура более

подготовительной выработки сечением 15мширины выработки вчерне, как показывают

в проходке необходимо установить 8-10 анкеров на глубину 2-3 м. В то же время при направленном упрочнении, как показывает опыт, можно обойтись одним анкером. Кроме этого, контроль трещиноватости горных поисследования, маловероятна. В пределах 0,6-1,0 ширины выработки вчерне глубина контрольного шпура для конкретных условий определяется по известной методике.

По способу контроль трещиноватости

род вокруг подготовительной выработки мо- 50 для выявления момента начала и масштабов

разрушения пород осуществляется при подвига нии забоя выработки на расстояние не менее 4-5 ширины выработки вчерне, что составляет при известных размерах типовых сечений горных выработок 20-30 м. 55 Шахтными исследованиями установлено, что локальное упрочнение пород в забое выработки эффективно, когда размер области разрушений пород вокруг выработки не превышает 50% периметра выработки При

жет использоваться для выбора и установления параметров и других, кроме упрочнения, мероприятий по повышению устойчивости пород.

Так как трещиноватость пород однозначно и объективно характеризует состояние массива горных пород и для обеспечения устойчивости выработки важно, необходимо и достаточно не допустить ее развития, т. е разрушения горных пород, то контроль тре

щиноватости необходимо осуществлять как можно ближе к забою выработки, чтобы выявить момент начала разрушений пород. Раньше этот фактор не учитывался, так как

определяли не начало разрушений пород, а только возможность их разрушения по контролю напряжений и смещений пород. Поэтому в способе предусмотрено бурение контрольных шпуров для непосредственного определения трещиноватости пород с целью выявления момента начала их разрушения на расстоянии 1-3 м от забоя выработки. При этом бурение контрольных шпуров на расстоянии от забоя менее 1 м по условиям технологии работ затруднительно, а на расстоянии более 3 м можно «упустить момент начала разрушения, следствием чего может быть больший объем работ по направленному укреплению пород.

Для выявления динамики трещиноватости частота контроля связывается с величи0 ной подвигания забоя за один цикл: в соответствии с данными практики при буровзрывном способе проведения она составляет 1,0-1,4 м, при комбайновом величина заход- ки составляет 1,0-1,5 м и обычно кратна

д шагу установки крепи (0,5-1,0 м).

В способе предусмотрена частота контроля трещиноватости пород через 1,0-1,5 м по- двигания забоя. Пределы изменения параметра 1,0-1,5 м выбраны из следующих

так как не будет охвачена контролеv трещиноватости вся возможная зона разрушения пород, а глубина контрольного шпура более

ширины выработки вчерне, как показывают

исследования, маловероятна. В пределах 0,6-1,0 ширины выработки вчерне глубина контрольного шпура для конкретных условий определяется по известной методике.

По способу контроль трещиноватости

для выявления момента начала и масштабов

разрушениях более 50% контура предварительное упрочнение не производят, а осуществляют контроль разрушений пород до их затухания. Момент затухания определяют контролем по выполаживанию кривой интенсивности трещиноватости пород. По данным контроля определяют размер зоны разрушения по всему контуру и осуществляют технологические действия по инъекционному упрочнению пород.

На шахте проводили главный откаточный квершлаг на глубине 624 м площадью сечения в свету 21,1 м2 комбайном 4 ПП-5 по породам от слабых до устойчивых с прочностью на одноосное сжатие 16-60 МПа. Крепь - трехзвенные металлические арки из спецпрофиля с железобетонной затяжкой, расстояние между рамами 0,5 м. Дополнительно производили тампонаж закрепного пространства цементно-песчаным раствором.

В связи со сложными горно-геологическими условиями, большой глубиной разработки, слабыми боковыми породами происходила интенсивная деформация пород, окружающих квершланг, особенно с западной стороны. Большие смещения пород в капитальной горной выработке привели к необходимости перекрепления ее.

Для повышения устойчивости квершлага на основе визуальной оценки состояния горной выработки первоначально было решено упрочнять вмещающие породы по всему контуру путем химического анкерования. При этом предусматривалось через I м выработки бурить 6-10 скважин на глубину 3,2 м и установить в каждой металлический анкер. Такой способ охраны требовал больших дополнительных затрат и необоснованного увеличения сроков прохождения выработки. Поэтому руководство шахты приняло предложение осуществить способ обеспечения устойчивости горной выработки на основе контроля трещиноватости пород.

Пример. В соответствии с предлагаемым способом в квершлаге на расстоянии 1,5 м от забоя пробурили четыре контрольных шпура; два шпура - по бокам вдоль слабого слоя пород на высотг 1,5 м от почвы, где в первую очередь наблюдали разрушение массива, один - вертикально вверх по центру выработки в зону расслоения пород и один - по нормали к напластованию с западной стороны выработки на расстоянии 1,0 м по вертикали (два радиуса эффективного контроля трещиноватости из шпура) от контрольного шпура в западном боку квершлага. Так как в почве квершлага залегали прочные породы и выдавливание их не наблюдалось, то в почву контрольный шпур не бурили.

Контрольные шпуры бурили пневмосвер- лами диаметром 42 мм, длиной по 4 м, что составило 0,6 ширины выработки вчерне. Для проверки правильности выбора глубины контрольного шпура в боку выработки с

западной стороны на расстоянии 1,0 м от забоя и высоте от почвы 1,5 м был пробурен дополнительный контрольный глубиной 5,5 м параллельно контрольному шпуру длиной 4 м Исследования показали, что трещиноватость пород не распространилась вглубь массива более чем на 4 м. Контроль массива горных пород осуществляли радиоволновым прибором РВШ.

Q Для этого шпур тщательно очищали от буровой мелочи, соединяли зонд с досылочной штангой длиной 4 м, включали прибор и ВРОДИЛИ зонд в шпур, продвигая его по всей длине шпура, снимали показания .микроамперметра ;: определяли по шкале, нанесен5 ной на досылочной штанге, расстояние от устья шпура до места нахождения трещины в породах. Измерения производили через 1,0 м подвигания забоя квершлага. Этот параметр соответствовал величине заходки

0

проходческого комбайна 4 ПП-5, равной 1,0 м и шагу установка .металлической арочной крепи 0,5 м

Анализ результатов контроля показал, что первые трещины в породе появились в западном боку выработки после того, как за5 бой квершлага продвинулся от контрольных шпуров на расстояние 5 м. при этом глубина зоны трещиноватости составила 2,5 м, высота зоны тпешиноватосги - менее 2,5 м (в контрольном ш-мре пгюбуоенном по нормали к напластова;- п, с западной стороны,

0 в первоначальный момент трещины не были зафиксированы), что составило примерно 20% периметра квершлага, т. е. меньше 50% его периметра. В этом с.пччае экономически выгодно применить направленное упрочнение. Решили произвести упрочнение пород

5 в зоне первоначального разрушения в западном боку квершлагл с помощью химического анкеровання. Исходя из размеров первоначального разрушенья выбрали параметры анкеров: длина 3.2 м (на 0,7 -1,0 м боль0 ше зоны разрушения пород вглубь массив) и расстояние -между анкерами 1 м. В качестве анкеров применили стержчи из арматурной стали периодического профиля диаметром 22--32 мм. что соответствовало диаметру шпура 42 мм. Для прогонов чс5 пользовали куски стальных швеллеров № 0 длиной 0.3 м под анкеры ручными пневмосверлачи, очищали от штыба и пыли, в них вводили анкеры со скрепляющим составом (на один шпур 9 ампул) и вращали с помощью сверла в течение

0 Ю с, проталкивая от забоя шпура, после чего стержень врзщати еще 20-30 с. Для предотвращение выталкивания ин шпура стержень раскрепляли в устье шпура деревянным клином. Чепез 10-15 мин после

5 установки анкера на него надевали прогон и затягивали гайкой. В массиве анкер закреплялся по всей длине пш ра с помощью пенополиуретана Таким способом были упрочнены неустойчивые боковые породы на частке. квершлага длиной 75 м. В результате проявления горного давления здесь резко снизились, крепь квершлага не деформировалась и породный контур находился в устойчивом состоянии. После укрепления массива пробурили контрольные шпуры в упрочненную зону между двумя анкерами и параллельно им и определяли динамику трещиноватости упрочненного массива. Анализ результатов контроля показал, что на участке укрепления пород химическим анке- рованием разрушений приконтурной породной зоны не происходило.

В контрольных шпурах продолжали измерения динамики трещиноватости по мере подвигания забоя. По материалам контроля установлено, что размеры зоны разрушений увеличивались до отхода забоя на расстояние 30 м, что составило 4, 5 ширины выработки вчерне.

Если бы производился контроль трещиноватости массива пород в момент их обнажения в забое выработки и не осуществлялось предупреждение развития разрушения пород путем направленного упрочнения их в забое выработки, то область разрушения составила бы более 50%, как, например, в квершлаге на удалении контрольных шпуров от забоя на 30 м разрушение пород в кровле достигло до 4 м, в боках по всему контуру на глубину до 2,5 м. В этом случае направленное упрочнение не имело бы смысла, а необходимо было определить момент затухания развития трещиноватости пород по всему периметру и только после этого упрочнять разрушенные породы.

Момент затухания динамики трещиноватости определяется следующим образом. По данным контроля строится график зависимости количества трещин на 1 м шпура от расстояния контрольных шпуров до забоя квершлага. Оказалось, что на участке в интервале 30-45 м интенсивность трещиноватости оставалась постоянной.

Таким образом, осуществлением способа была подтверждена правильность выбора 0 параметров предлагаемого способа обеспечения устойчивости горной выработки.

Формула изобретения

Способ обеспечения устойчивости горных выработок, включающий проведение и крепление выработки, бурение по ее контуру шпуров для контроля состояния массива и упрочнение приконтурного массива, отличающийся тем, что, с целью уменьшения материальных и трудовых затрат, повышения безопасности работ, контрольные шпуры бурят на расстоянии 1-3 м от забоя глубиной не менее 0,6 ширины выработки вчерне, по ним проводят измерение интенсивности

5 трещиноватости пород через каждые 1,0- 1,5 м подвигания забоя на расстоянии от него 4-5 ширины выработки вчерне и определяют размеры области разрушения пород по периметру выработки, при этом при размере области разрушения менее 50% пери0 метра упрочнение приконтурного массива производят в пределах этой области, а в противном случае устанавливают момент затухания разрушений, а затем производят упрочнение.

0

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано в подземном строительстве. Цель - уменьшение материальных и трудовых затрат, повышение безопасности работ. Для этого проводят и закрепляют выработку, в которой по периметру бурят контрольные шпуры и определяют интенсивность трещиноватости и размеры области разрушения пород. Контрольные шпуры бурят на расстоянии 1-3 м от забоя глубиной не менее 0,6 ширины выработки вчерне. Измерения производят через каждые 1,0-1,5 м подвигания забоя на расстоянии от него 4-5 ширины выработки вчерне. При размере области разрушения менее 50% периметра упрочнение приконтурного слоя анкерами производят в пределах этой области. В противном случае устанавливают момент затухания разрушения, а затем производят упрочнение.