Способ сооружения горной выработки Советский патент 1991 года по МПК E21D11/00 

Изобретение относится к подземному строительству, в частности к способам проходки и крепления горных выработок в слабых породах в условиях преобладающего вертикального давления и образования в кровле выработки после раскрытия ее сечения растягивающих напряжений, вызывающих вывалообразование.

Цель изобретения - повышение эффективности производства работ.

На фиг. 1 изображена выработка, поперечный разрез; на фиг. 2 - то же, продольный разрез.

При преобладающем вертикальном давлении, т. е. при коэффициенте бокового давления менее 1/3, что наиболее характерно для выработок мелкого заложения, при раскрытии сечения последних в их своде образуется зона растягивающих напряжений. Размеры этой зоны зависят от величины коэффициента бокового давления и при его уменьшении зона увеличивается. Действие растягивающих напряжений в своде выработки, пройденной в слабых породах, приводит к разрушению последних и последующему вывалообразованию, поскольку предел их прочности на растяжение крайне незначителен и, как правило, равен нулю.

В этой ситуации целесообразно перед раскрытием сечения выработки устроить впереди забоя опережающую щель и путем создания в ней определенного давления Р создать в породном массиве повышенное поле сжимающих напряжений. Это приводит к тому, что после раскрытия сечения выработки в результате наложения полей

о

00

ю о

GJ VJ

противоположных по знаку напряжений вокруг выработки устанавливается поле только сжимающих напряжений, что предотвращает вывалообразование.

Наиболее опасными являются тангенциальные растягивающие напряжения, зона распространения которых и величина превышают аналогичные характеристики радиальных напряжений. Именно они являются ответственными за обрушение пород кровли. Граница зоны растягивающих напряжений в кровле выработки определяется из выражения

6Ч-)-Л)со5 20

-(1+/l)-V(1+ z-iZcosZe l(1-/Ja)cos20f где г, 0- полярные координаты;

А- коэффициент бокового давления;

I - коэффициент Пуассона; R - радиус выработки в проходке. Угол полуохвата зоны растягивающих напряжений

& 11 + А

2аГСС052(1-А) .

Тогда нижняя граница зоны растягивающих напряжений находится от шелыги контура выработки на расстоянии, определяемом из выражения

А R(1 - cos 0).

Наиболее неблагоприятный с точки зрения увеличения размеров зон растяжения в кровле выработки случай имеет место при- коэффициенте бокового давления А 0, т. е. в отсутствии боковой нагрузки.

В этом случае высота зоны растяжения по.вертикальной оси симметрии выработки

Јмакс 0,73-К;

,13-R.

Выражение по определению концентрации напряжений вокруг щели (4) имеет вид

г + h2/4)2-h2/4l3 eLx-bVx2 + h2/42-h2/4 iJ

7,

где Р - создаваемое в щели давление;

h - высота щели.

Для обеспечения устойчивости выработки нет необходимости компенсировать всю зону растягивающих напряжений. Достаточно ликвидировать их негативное влияние в непосредственной близости от контура выработки.

Наибольшего значения сжимающие напряжения, возникающие вокруг щели при создании в ней давления, достигают на уровне ее середины, В связи с этим целесообразно располагать центр щели на наиболее опасном направлении, т. е. на уровне шелыги свода. При этом для гарантированной компенсации растягивающих напряжений под этой линией нижний конец щели

следует располагать ниже границы зоны растягивающих напряжений на контуре выработки. Исходя из этих двух соображений, можно установить наименьшую высоту щели, которая равняется удвоенному расстоянию от контура выработки до нижнего конца щели, т. е. h 0,27-R.

В процессе численного моделирования на ЭВМ с коэффициентом корреляции /3

0,9999 получена зависимость необходимого давления в опережающей щели от высоты последней, при соблюдении которой гарантируется отсутствие растягивающих напряжений на уровне шелыги свода в пределах выработки и в непосредственной близости

от ее контура после раскрытия сечения выработки. Также установлено, что при высоте щели, находящейся в интервале значений h (0,54-0,73), необходимое давление не превышает -Н. Таким образом, для снижения трудоемкости работ, связанных с устройством щели, ее максимальный размер следует принимать h 0,54-R. Однако при чрезмерно малых значениях высоты щели необходимое давление может достигать существенных величин и превысить предел прочности пород на сжатие, что приводит к их разрушению, которого нельзя допустить. Таким образом, длина щели и развиваемое в ней давление должны быть взаимоувязаны.

Принимая во внимание, что любое включение в породный массив является дополнительным концентратором напряжений, для сглаживания этого не-зтивного

явления целесообразно использовать для создания давления растворы, которые после твердения имеют деформационные характеристики, близкие к соответствующим свойствам пород.

Способ реализуют следующим образом. При сооружении выработки 1 в условиях вывалообразования, имеющего место в результате действия в ее своде растягивающих напряжений 2, используют предварительное

силовое воздействие на породный массив для направленного перераспределения естественного поля напряжений и создания впереди забоя 3 области повышенных сжимающих напряжений.

Проходческие работы ведут отдельными заходками. В начале каждой заходки работы по раскрытию сечения выработки 1 временно приостанавливают и определяют впереди забоя 3 предел прочности пород на

сжатие и их объемный вес. Затем из забоя 3 вдоль продольной оси выработки 1 устраивают вертикальную щель 4, которую располагают на оси симметрии. Для этой цели может быть использовано бурение секущихся скважин, гидроразрыв или гидроразмыв, прорезание баром и т, д.

Предварительно из заданного диапазона

0,,54R, где R - радиус выработки, м. Выбирают высоту h щели 4 и согласно выражению

Р 0,297 -у H(h/R) 94h/R, где у- объемный вес пород, МН/м3;

Н - глубина заложения выработки, м, определяют необходимое давление Р, которое нужно в ней создать для компенсации растягивающих напряжений 2, возникающих в кровле выработки 1 nqp/ie раскрытия ее сечения. В случае, если определенное таким образом давление больше предела прочности пород на сжатие, следует увеличить высоту щели 4 и повторить расчеты по определению необходимого давления, Щель 4 располагают ее нижний конец располагался ниже проектного контура шельги свода выработки на расстоянии не менее Д 0,13-R. Центр щели 4 целесообразно располагать на проектном контуре выработки 1.

В случае, если выработка 1 не является круговой, то в расчетах используется понятие эквивалентного радиуса, который определяется из выражения R 0.63VS , где S - площадь сечения выработки в проходке, м2.

После устройства щели 4 производят работы по герметизации ее устья и в ней создают заданное давление. Силовое воздействие на породный массив может создаваться как за счет нагнетания в опережающую щель 4 твердеющих растворов 5 под большим давлением, так и путем заполнения ее растворами 5, расширяющимися при твердении.

Целесообразно также во время установления физико-механических свойств пород дополнительно определять их модуль деформации и коэффициент Пуассона и использовать твердеющие растворы 5 с деформационными характеристиками, максимально приближающимися к соответствующим свойствам пород.

При ведении работ в неустойчивых породах целесообразно перед устройством щели 4 возводить в забое 3 предохранительную перемычку (не показана). После твердения раствора 5 и перераспределения естественного поля напряжений вокруг опережающей щели 4 возобновляют работы по раскрытию сечения выработки 1

На таком подходе основывается прин- цип опережающей стабилизации кровли выработки. Соблюдение параметров способа позволяет обеспечить устойчивость выработки, исключить применение временной крепи при ее проходке, облегчить конструк- цию постоянной крепи, а в определенных случаях вообще отказаться от нее

Формула изобретения

1.Способ сооружения горной выработки, включающий определение физико-механических свойств горных пород впереди забоя, устройство в кровле выработки на ее вертикальной оси симметрии опережающей щели с расположением нижнего конца последней под проектным контуром выработки, герметизацию щели и создание в ней давления твердеющего раствора, раскрытие сечения выработки, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности производства работ, дополнительно опре- деляют предел прочности пород на сжатие, а щель устраивают высотой

0, 0,54-R,

при этом ее нижний конец располагают под проектным контуром выработки на расстоя- нии не менее

,13-R,

а давление в щели создают не менее величины, определяемой из выражения

P 0,297-yH(h/Ry11 94h/R и не более предела прочности пород на сжатие, где h - высота щели, м;

А- расстояние от проектного контура выработки до нижнего конца щели, м; Р - создаваемое в щели давление, МПа; R - радиус выработки, м; у- объемный вес пород, МН/м; Н - глубина заложения выработки, м,

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно определяют деформационные свойства пород и используют твердеющий раствор с близкими к породам деформационными характеристиками.

.

Г. ....

.. .

- . - - -. -

Ц

Изобретение относится к подземному строительству и позволяет повысить эффективность производства работ в слабых породах при возникновении в кровле выработки растягивающих напряжений. Для этого используют предварительное силовое воздействие на породный массив, перераспределяют естественное поле напряжений и создают впереди забоя область повышенных сжимающих напряжений. Определяют предел прочности пород на сжатие и их объемный вес. Из забоя вдоль продольной оси выработки на ее вертикальной оси симметрии устраивают щель высотой более 0,27 и менее 0,54 радиуса выработки. Ее нижний конец располагают ниже проектного контура свода на расстоянии не менее 0,13 радиуса выработки. Щель герметизируют и создают в ней давление твердеющего раствора, определяемое из аналитического выражения. После перераспределения напряжений впереди забоя раскрывают сечение выработки. Определяют модуль деформации и коэффициент Пуассона пород и используют твердеющий раствор с близкими деформационными характеристиками. 1 з. п. ф-лы, 2 ил. сл с

Ф(АГ. 2

Редактор О. Головач

Составитель Л. Березкина

Техред М.МоргенталКорректор Т.Палий