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 с применением опережающих защитных экранов.

Целью изобретения является повышение устойчивости выработки и снижение затрат на ее крепление в слабых породах с коэффициентом бокового давления менее 1/3.

Сущность предложенного технического решения состоит в следующем.

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 пород и при его уменьшении зоны увеличиваются Действие растягивающих напряжений в своде выработки, пройденной в слабых породах, приводит к разрушению последних, поскольку предел их прочности на растяжение крайне незначителен и, как правило равен нулю.

Таким образом, зона действия растягивающих напряжений является первоисточсь чэ

4 О

i

ником разрушения пород и, как следствие, первичного вывалообразования. Вывалооб- разование сопровождается перераспределением напряжений в своде выработки, в результате чего в процесс разрушения вовлекаются все новые и новые области массива. Идет процесс формоизменения вывала, который сопровождается увеличением его размеров. Если этот процесс не приостановить путем возведения крепи, то он будет продолжаться до достижения выработкой устойчивой формы, если такая существует в конкретных условиях. При этом нагрузка на крепь постоянно увеличивается, поскольку в условиях сводообразования она определяется из выражения

J-ys,О)

где S - площадь разрушенных пород (которая соответствует площади действия растягивающих напряжений), м ;

у- объемный вес пород, мН/м3.

В этой ситуации целесообразно осуществить мероприятия, направленные на предотвращение увеличения размеров вывала и стабилизации его на первоначальном уровне. Для этого можно использовать опережающее крепление в виде возведения защитного экрана, который должен обеспечивать восприятие нагрузки, возникающей от действия веса пород в объеме потенциального первичного вывала. Тем самым открывается возможность уменьшить затраты на сооружение выработки и увеличить ее устойчивость за счет направленной ликвидации причин обрушения.

Еще большее увеличение устойчивости выработки без привлечения дополнительных средств может быть достигнуто путем ликвидации концентраторов напряжений, которыми являются элементы защитного экрана в известных решениях. Это становится возможным, если при заполнении скважин твердеющим раствором использовать для этой цели раствор, деформационные характеристики которого приближаются к деформационным характеристикам пород. В этом случае роль твердеющего раствора в основном сводится к заполнению скважины материалом с деформационными характеристиками массива.

В этом смысле несущей каркас, выполненный в виде стержневой арматуры, является предпочтительным по сравнению с трубчатым каркасом, поскольку в непосредственный контакт с породой входит материал с близкими по отношению к ней свойствами. Такой прием позволяет снизить или даже вообще ликвидировать концентрацию напряжения вокруг элементов опережающего защитного экрана.

Наиболее опасными являются тангенциальные растягивающие напряжения, зона распространения которых превышает зону распространения радиальных. Именно они являются ответственными за вывалообразования в слабых породах и, следовательно, именно их действие необходимо нейтрализовать. Граница зоны растягивающих напряжений определяется из выражения

6{A-1) cos26

15

1 4 i. + V(1 +ЯУ -12 cos 2 9(1 -A +(1 -A ) cos 29} /y

а угол полуохвата зоны растягивающих напряжений

ft

1 Т

arccos

1 +А

(3)

0v a™° )

где А - коэффициент бокового давления; R - радиус выработки в проходке, м; г, 0- полярные координаты м, град Площадь возможного обрушения для

5 выработки единичного радиуса

,541-4,1421 +11,953 А2-13,311 Я3, (4) коэффициент корреляции / 0,996. На фиг.1 изображена выработка, попе0 речный разрез; на фиг.2-то же. продольный разрез.,

Изобретение реализуется следующим образом,

При сооружении выработки 1 в усло5 виях сводообразования, имеющего место в результате действия в ее своде растягивающих напряжений, используется опережающий защитный экран. Предварительно определяют такие деформационные харак0 теристики пород, как модуль деформации и коэффициент Пуассона. С их учетом выбирают твердеющий раствор 2, деформационные характеристики которого приближаются, а в идеале макси5 мально соответствуют аналогичным характеристикам породы. Выбирают также тип стержневой арматуры 3, в качестве которой могут быть использованы как арматурные стержни, так и различные про0 катные профили. В соответствии с выбранным диаметром опережающих скважин 4. а также параметрами стержневой арматуры 3 и раствора 2, которые являются составляющими элементов опережающего защитного

5 экрана, представляющими собой заполнение скважин 4, определяют критический изгибающий момент, который способен выдержать каждый элемент защитного экрана.

Проходческие работы ведут отдельными заходками. В начале каждой заходки работы по раскрытию сечения выработки 1 временно приостанавливают и вдоль ее продольной оси на всю длину заходки устраивают опережающий защитный экран. Для этого из забоя 5 выработки 1 бурят опережающие скважины 4. Скважины 4 бурят в шельге свода на участке, длина которого определяется из выражения

1 +А

JlR arccos г, / т

h г (. л)

П180

(5)

где h - длина участка свода, на котором бурят опережающие скважины, м.

В случае, если выработка не является круговой, то в этом и последующих выражениях используется понятие эквивалентного радиуса, который, в свою очередь, определяется из выражения

,63 ,

где S - площадь сечения выработки в проходке, м2.

Скважины 4 располагают равномерно по длине участка. В каждую скважину 4 устанавливают стержневую арматуру 3. Затем скважины 4 заполняют твердеющим раствором 2.

Угол наклона опережающих скважин 4 по отношению к продольной оси выработки 1 с тем, чтобы увеличить длину заходки, должен быть минимальным и фактически определяется возможностью установки бурильного оборудования. Для облегчения ведения буровых работ с минимальным углом наклона целесообразно в начале каждой заходки устраивать нишу, в которой размещать бурильное оборудование.

После устройства опережающего защитного экрана работы по раскрытию сечения выработки 1 возобновляются и ведутся под прикрытием последнего. Крепь 6 возводится с отстранением от забоя 5 на расстоянии, не превышающем величины, определяемой из выражения:

L-vL

yR2(0068 -0,Б1ВА+1.494А2 -1.664А3

(7)

где L - максимальное расстояние отставания крепи от забоя, м;

М - критический изгибающий момент, который способен выдержать элемент защитного экрана, МН-м;

п - количество опережающих скважин.

При подходе забоя 5 к концу опережающих скважин очередной заходки проходческие работы вновь приостанавливаются и

устраивается защитный экран на следующей заходке.

Варьируя количеством скважин 4, а также применяя различное конструктивное вы- 5 полнение самих элементов защитного экрана, можно изменять длину незакрепленного участка в призабойной части выработки 1, подбирая ее под имеющуюся технологию возведения крепи 6 и необходи0 мые темпы проходки выработки 1.

Выбирая между количеством элементов опережающего защитного экрана, а также их прочностными и деформационными параметрами, следует иметь в виду, что чрез5 мерное уменьшение их количества нежелательно. Это связано с тем, что в этом случае возможна их неравномерная загрузка, а также повышается вероятность вывала отдельностей массива между ними.

0 Скважины 4 могут располагаться как в пределах проектного контура выработки 1, так и вне его. Первый вариант является более предпочтительным при возведении монолитных крепей 6, поскольку в этом случае

5 элементы опережающего защитного экрана входят в состав последней. В противном случае целесообразно будить опережающие скважины 4 над проектным контуром выработки 1.

0 На таком подходе основывается принцип опережающей стабилизации кровли выработок. Соблюдение параметров способа позволяет сохранить размеры зоны нарушений, возникающих при раскрытии сечения

5 выработки под воздействием растягиваю- , щих напряжений, на первоначальном уровне дает возможность обеспечить устойчивость выработки при минимальных материальных и трудовых затратах на ее

0 сооружение, увеличить темпы проходки по сравнению с другими разновидностями опережающего крепления.

Формула изобретения Способ сооружения горной выработки,

5 включающий бурение опережающих скважин в своде выработки, устройство в них элементов защитного экрана путем установки стержневой арматуры и заполнения твердеющим раствором, раскрытие под его

0 защитой сечения выработки и возведения крепи, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости выработки и снижения затрат на ее крепление в слабых породах с коэффициентом бокового давления

5 менее 1 /3, предварительно определяют деформационные характеристики пород и критический изгибающий момент элементов защитного экрана, при этом скважины бурят на участке свода, длину которого определяют из выражения

яР arccos

h

1 +A

ШЕЛ.

180

где h - длина участка свода, на котором бурят опережающие скважины, м;

R - радиус выработки, м;

Я - коэффициент бокового давления, и для их заполнения используют раствор с деформационными характеристиками, близкими к деформационным характеристикам пород, а крепь возводят с отставанием от забоя на расстоянии, не превышающем величины, определяемой из выражения

у

м -п

0

У RZ (0,068 -0.518Л + 1.494 А -1.664А3

где L -максимальное расстояние отставания крепи от забоя, м;

у- объемная масса пород, МН/м3;

М - критический изгибающий момент, который способен выдержать элемент защитного экрана, МН/м;

п - количество опережающих скважин.

Изобретение относится к подземному строительству и может быть использовано в условиях преобладающего вертикального давления слабых пород. При сооружении выработки в условиях сводообразования под действием растягивающих напряжений используют опережающий защитный экран. Определяют модуль деформации и коэффициент Пуассона пород. Подбирают раствор с близкими деформационными характеристиками, Выбирают тип стержневой арматуры и определяют критический изгибающий момент элемента защитного экрана На длине участка свода, определяемого из аналитического выражения, бурят скважины, устанавливают в них стержневую арматуру и заполняют твердеющим раствором. После устройства опережающего защитного экрана работы по раскрытию сечения выработки возобновляются. Постоянную крепь возводят с отставанием от забоя на расстоянии, не превышающем величины, определяемой из аналитического выражения, 2 ил (Л С

Фиг.1