Способ охраны горной выработки Советский патент 1990 года по МПК E21D11/00 

Изобретение относится к строительству подземных сооружений, в част- (ности к способам проходки тоннелей в условиях преобладающего вертикального давления с применением опережающего крепления.

Целью изобретения является обес- пеуение устойчивости свода выработки с вертикальной осью симметрии, coo- ружаемой в породах с коэффициентом бокового распора менее 1/3.

На фиг. 1 изображена выработка, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, поперечный разрез; на фиг. 3 графи- ки распределения напряжения в кровле выработки.

При проходке выработки 1 круглой или сводчатой формы в породах с коэффициентом бокового распора

Mf (1 +АК1 ) -(1-A)()cos20,(1)

где 6 и 6„ - соответственно радиальные и тангенциальные нормальные напряжения, МП а-,

гиб- цилиндрические координаты (Э - отсчитывается от оси ОХ направленного горизонтально, ОУ направлен вертикально, а начало координат расположено в центре выработки); R - радиус выработки, м. Касательные напряжения

Изобретение относится к строительству подземных сооружений и предназначено для проходки тоннелей. Цель - обеспечение устойчивости свода выработки (В) с вертикальной осью симметрии, сооружаемой в породах с коэффициентом бокового распора менее 1/3. Перед каждой заходкой впереди забоя В 1 формируют зону повышенных сжимающих напряжений. Для этого в забое на вертикальной оси симметрии В 1 вдоль ее продольной оси устраивают опережающую щель 4 на величину максимальной заходки. Нижний конец щели 4 располагают под контуром свода В 1 на величину ширины этого конца, а высоту определяют для конкретной горно-геологической ситуации из математического выражения. Затем щель 4 герметизируют и размещают в ней расширяющийся при затвердении раствор 6. За счет расширения раствора 6 при твердении производят силовое воздействие давлением определенной величины на вмещающие породы и образуют зону предварительно сжатых пород. Ее размер вдоль вертикальной оси симметрии В 1 формируют не менее максимальной высоты предполагаемой зоны растягивающих напряжений 2, возникающих в своде при проходе В 1. В неустойчивых породах возводят крепь, а в щель 4 вставляют перед размещением раствора 6 арматуру. После проходки В 1 раствор 6 с крепью омоноличивают. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. раствор 6 с крепью омоноличивают. 1 з.п. ф-лы, 3

в ее кровле формируется зона растягивающих напряжений 2, уровень которых можно определить по известным зависимостям:

(f+A(1 - ) +

1

+ О - Л )(1 - 4 + 3p-)Jcos20i

г R

6(1 - Л) cos26

-(1 +Л) -VC1 +А)а - 12cos2 5d -Л1 н (1 - Л )гсоз2е

Указанная зона 2 имеет максимальную высоту 1тмйкс г - R при б 90°, т.е. на вертикальной оси симметрии выработки 1. С учетом сказанного определяют максимальную высоту предполагаемой зоны 2 растягивающих напряжений:

6(1 - Д)

1+A+Vl+26A -23А4

fl,(4)

где В - ширина выработки для круглой

выработки (В 2R). Максимальная ширина b предпоА 01 1х лэгаемой зоны 2 растягивающих напряжений 6 Q для выбранной координатной системы:

-Всовв где значение

л 11 + Л

Q - 2агссозЦГ ТУ

V0

ЈН

R

(1 - Л )(1 - )

25

„R

+ .

(2)

Граница опасной зоны 2 растягивающих напряжений

(3)

Таким образом, максимальные размеры предполагаемой зоны 2 растягивающих нормальных напряжений с их максимальными значениями имеют: по вертиQ кали вдоль оси OY, а по горизонтали вдоль линии Y R.

После установления размеров и месторасположения предполагаемой 2 растягивающих нормальных напряже5 ний необходимо провести мероприятия, направленные на компенсацию этих зон 2 до проведения выработки 1, и, следовательно, проходку последней производить в более благоприятных

Q условиях. Наиболее рациональным является предварительное направленное перераспределение напряжений впереди забоя 3 в кровле выработки 1, для чего в нетронутом массиве формируют зону повышенных сжимающих напряжений, абсолютная величина кото- ; рых сопоставима с растягивающими напряжениями, которые возникнут после проходки выработки 1. Зону повышен5

ных сжимающих напряжений в массиве впереди забоя формируют путем силового воздействия на него через заранее сделанную полость 4 давлением определенной величины. .

Высокое давление целесообразно создавать не путем нагнетания растворов, при котором требуется соответствующее оборудование и соблюде- ние ПБ, а за счет самопроизвольного расширения материала,размещенного в опережающей полости 4. При изучении закономерностей формирования напряженного состояния вокруг полостей Ц различной конфигурации установлено, что наиболее рациональной с точки зрения технологии сооружения полости, вокруг которой формируются достаточные сжимающие напряжения при созда- нии давления внутри нее, является щель 4.

При этом необходимо, чтобы высота опережающей щели 4 была не менее высоты предполагаемой зоны 2 растягиваю щих напряжений, возникающей при прохоке выработки 1. Поскольку максимальных своих значений растягивающие напряжения достигают в центральной части свода, то щель 4 необходимо располо- жить вдоль вертикальной оси симметрии выработки 1 - оси OY.

Распределение нормальных напряжений вокруг прямолинейной щели, расположенной вдоль оси OY задается выражением:

(Р

- 1)Э(/ +

1)

(P +2 cos28 +1)

;(7)

()(1+2p +p4+4.p2cos29T 40 (P +2p«cos2e +1)1

W

где Р - давление, создаваемое на сте-

нах щели, МПа;.,

х +

Ух2 ч- 12/4 .

1/2

(9)

1 - длина щели, м.

При переходе от центральной части щели 4 к ее концам уровень сжимающих напряжений снижается, но это снижение происходит медленнее, чем снижение абсолютных значений растягиваю- .щих напряжений 2 в этом же направлении.

Таким образом, при правильном выборе месторасположения щели 4 и ее

размеров растягивающие напряжения в направлении OY до нужной степени скомпенсированы, если величину -давления в щели 4 подобрать следующим образом:

Р 6р - уН(ЗЛ - 1).

(Ю)

В концах щели 4 возникают растягивающие напряжения, поэтому необходимо щель 4 по вертикальной симметрии оси OY выработки расположить так, что ее концы выходят за границами зоны растягивающих напряжений 2 на величину ширины конца щели 4. Тогда высоту щели Ц определяют

в 2

6(1 -А )

1 + А + VI + 26 - 23А1

,(ii;

)0 fj20

-25д30

35

)

40

.,

55

Таким образом, перед каждой за- ходкой впереди забоя 3 выработки 1 формируют зону повышенных сжимающих напряжений. Для этого в забое 3 на вертикальной оси симметрии выработки 1 вдоль ее продольной оси устраивают опережающую щель 4. Для создания опережающей щели 4 могут быть использованы, например, такие известные методы, как бурение в ряд секущихся скважин, бурение рядом расположенных скважин и осуществление гидроразрыва или гидроразмыва промежутков между ними, а также прорезание баром. Опережающую щель 4 устраивают на величину максимальной заходки 5. При этом нижний конец опережающей щели 4 располагают под контуром свода будущей выработки 1 на величину ширины ее нижнего конца (или диаметра скважины, если ее создают путем бурения), а высоту определяют для конкретной горногеологической ситуации из выражения

(11). I

Для удобства ведения работ целесообразно возвести нишу (не показана) для размещения в ней оборудования для устройства щели 4. Последнюю герметизируют -при этом в неустойчивых породах, для этого в забое возводят перемычку (не показана). После устройства щели 4 и герметизации в ней размещают, например, нагнетанием расширяющийся при твердении раствор 6, например, расширяющегося или самонапрягающегося цемента. Давление нагнетания и состав раствора 6 подбирают j

так, что развиваемое им при твердении давление соответствует значению выражения (10). Затем за счет расширения раствора 6 при твердении производят силовое воздействие на вмещающие породы и образуют зону предварительно сжатых пород, поперечный размер которой вдоль вертикально оси симметрии выработки формируют не менее максимальной высоты предполагаемой зоны 2 растягивающих напряжений, возникающих в своде при проходке выработки 1.

В определенных горно-геологических условиях риловое воздействие не превышает атмосферное давление,т.е. раствор 6, расширяясь до конечных размеров, должен только- заполнить щель l и не оказывать давления на ее стенки.

В неустойчивых породах, где несмотря на перераспределение напряжений необходимо возводить постоянную крепь в опережающей щели 4, устраи- вают ребро жесткости. Для этого в нее перед нагнетанием расширяющегося раствора 6 вставляют арматуру (не показана) , а по мере проходки выработки после возведения крепи соеди- няют с последней в единое целое.

Раствор 6, расширясь в замкнутом пространстве, значительно увеличивает свою прочность по сравнению со свободно расширяющимся. Кроме того, воздействуя на арматуру, он произво дит ее предворительное напряжение.

После затвердевания раствора 6, направленного перераспределения напряжений в своде и компенсации растягвающих напряжений зоны 2 впереди заб 3, возобновляют работы по проходке выработки 1. Устройство в массиве опрежающей- щели k) заполненной твердеющим раствором 6 в совокупности с нэп равленным перераспределением напряжений служит элементом опережающего крепления.

,

Формула изобретения

5 Q

шенных напряжений в них, герметизацию полостей, проходку выработки, отличающийся тем, что, с целью обеспечения устойчивости свода выработки с вертикальной осью симметрии, сооружаемой в породах с коэффициентом бокового размера менее 1/3, определяют размеры предполагаемой зоны растягивающих напряжений, возникающих в своде выработки при ее проходке, а в зоне повышенных напряжений дополнительно формируют зону сжатых пород, размер которой вдоль вертикальной оси симметрии выработки принимают не менее высоты предполагаемой зоны растягивающих напряжений, при этом опережающую полость устраивают в виде щели, которую выполняют на вертикальной оси симметрии выработки, и располагают ее нижний конец под контуром свода на величину ширины этого конца, а высоту h определяют из выражения

В

6П-Л )

П1-М А1

,

25Q

я

35

40

50

55 где h - высота щели, м;

В - ширина выработки, м;

А - коэффициент бокового распора;

d. - ширина нижнего конца щели,м, при этом силовое воздействие на вмещающие породы для компенсации в них предполагаемой зоны растягивающих напряжений производят давлением, которое определяют из выражения

Р 6р - -у Н(3 А - D ,

где Р - давление, создаваемое расширяющимся при твердении раствора , МПа; 6р предел прочности вмещающих

пород на растяжение, МПа; У - объемный вес вмещающих пород,

МН/м.

Н - глубина заложения выработки, м.

Ј

v- vV ЧЧЧ

№j У

jTT ГГ. .-r -frr - .T7 :rtr г ЦН.

.V-.. -л/ Vv v -v ---Kv -: - :.;. .-. : - /.. . « ... V: .t.:-.:;-:- - ..Vr j

-t c. ...- -. / Л : ..- V.

Фиг.

1 3 tf 5 3C.fi