Способ защиты сопряжений вертикальных стволов с околоствольными выработками Советский патент 1992 года по МПК E21D1/00 

Изобретение относится к горному делу, а именно к разработке угольных месторождений и предохранению сопряжений шахтных стволов с околоствольными выработками от больших концентраций напряжений.

Известен способ разгрузки контура гор- ных вьфаботок от напряжений, заключающийся в том, что 5 радиально направленных разгрузочных щелей нарезают одновремен но симметрично по периметру выработки.

Данный способ имеет следующие недостатки:

Ввиду того, что нарезается одновременно 5 радиальных щелей, приконтурная зона горных пород теряет связность, и тем самым теряется устойчивость выработки, что может привести к вывалам. Это особенно опасно для узлов сопряжения, на которые приходится до 80-90% вывалов.

При прорезке щелей на сопряжении вертикальных стволов с выработками начинаются активные пластические течения горных пород, что при сочетании с жесткой крепью сопряжений (бетон, железобетон, тюбинги и т.п.) приводит к резкому возрастанию нагрузок на крепь и возможному разрушению последней.

В данном способе не указаны размеры разгружающих щелей, что реально делает невозможным его эффективное применение.

Наиболее близким к предлагаемому является способ защиты сопряжений, суть которого заключается в том, что разгрузочную щель проводят в горизонтальной плоскости через точку пересечения осей сопрягающихся выработок, при этом ширина щели равна удвоенной ширине горизонтальной выработки и щель проводится вдоль горизонтальной выработки на всю ее длину.

Этот способ имеет следующие недостатки:

отсутствует увязка параметров разгрузочной щели с горно-геологическими условиями;

снижены напряжения в горизонтальной плоскости в направлении главной оси горизонтальной выработки, а в перпендикулярных к этому направлениях (горизонтальных и вертикальных) напряжения даже несколько увеличены, т.е. способ защищает не от всех видов напряжений;

увеличен пролет выработки до 12-16 м (две ширины), что может привести к подвижкам в вертикальном направлении и снижает устойчивость сопряжения, особенно в сложных горно-геологических условиях.

Таким образом, известные технические решения обеспечивают их эксплуатационную способность в ограниченном ч исле случаев и снижают устойчивость вмещающего массива.горных пород, особенно в сложных горно-геологических условиях.

Цель изобретения - увеличение срока

службы и безремонтного поддержания сопряжения путем разгрузки его контура от концентрации напряжений и дифференцированного подхода к определению парамет0 ров и места расположения разгрузочных щелей.

Поставленная цель достигается тем, что разгрузочные щели разделывают перпендикулярно главным осям, сопрягающимся со

5 стволом горизонтальных выработок на расстоянии 0,5-1 их ширины и глубиной 0,5- 0,75 ширины. При этом ширина разгрузочных щелей определяется по формуле

0 (t)dt.(1)

о

где Т - срок службы сопряжения, мае;

U - скорость смещения горных пород в районе сопряжения, мм/мес.

Основными отличительными признаками предлагаемого технического решения являются:

разгрузочные щели ориентированы перпендикулярно главной оси горизонтальных выработок, сопрягающихся со стволом;

разгрузочные щели имеют форму дискового кольца;

оптимальные параметры разгрузочных щелей (глубина и ширина) и их расположение (расстояние до стенок ствола) определены.

В результате проведенных аналитических и эмпирических исследований по определению коэффициента дополнительной концентрации напряжений в районе сопряжений и снижения напряжений при разгрузке выработок дисковыми щелями, ориентированными перпендикулярно главной оси выработок, установлено:

Коэффициент дополнительной концентрации напряжений в районе сопряжения го- ризонтальных выработок со стволом достигает 1,5-2,0 см /3, 4/, что приводит к разрушению крепи. При этом в сложных горно-геологических условиях (большие глубины и слабые вмещающие породы) жесткие крепи (бетон, железобетон, тюбинги), как правило, не выдерживают возникающих

0

5

0

5

нагрузок.

Разгрузочное действие дисковых щелей распространяется на расстояние 1-1.4 ее радиуса (включая радиус выработки) вдоль главной оси выработки.

На расстоянии 0.5-1 ширины выработки от места разделки разгрузочной щели напряжения снижаются на 40-60% при глубине щели 0,5-0,75 ширины выработки. Причем при указанных параметрах устойчивость массива горных пород наиболее велика (экстремум устойчивости).

Разгрузочное действие продолжается до момента смыкания стенок щели, затем напряжения восстанавливаются.

Эти выводы были получены при решении упругопластической задачи по определению напряженно-деформированного состояния массива горных пород в районе сопряжения (в результате расчетов на ЭВМ) и проверены экспериментально на шахтах им. 50-летия Октября и Гуковская ПО Гу- ковуголь.

Кроме того, было установлено, что разгрузочные дисковые щели оказывают экранирующее влияние как в направлении главной оси выработки, так и перпендикулярно ей. чем и обеспечивается разгрузочный эффект путем переноса точки максимума концентрации напряжений от основного контура сопряжения вглубь массива.

Предлагаемый способ по сравнению с известным позволяет дифференцированно подходить к определению параметров разгрузки в зависимости от горно-геологических условий и геометрических параметров охраняемого сопряжения и выявить оптимальную глубину и место расположения разгрузочных щелей так, чтобы с одной стороны они создавали максимальный разгрузочный эффект, а с другой - сохранялась устойчивость пород приконтурной зоны. Этот признак является существенным, так как его невыполнение приводит к потере эффективности способа.

Способ позволяет определить необходимую ширину разгрузочных щелей, ибо увеличение ширины приводит к излишним . трудозатратам, а уменьшение приводит к тому, что ЩРЛЬ быстро закрывается и разгрузка исчезает.

Ориентация дисковых щелей перпендикулярно главной оси горизонтальных выработок позволяет экранировать сопряжение от концентрации напряжений, не снижая устойчивости вмещающего массива (любая другая ориентация создает зависание пород со значительным пролетом, например в известном способе 12-16 м, что резко снижает устойчивость),

Таким образом, предлагаемый способ защиты сопряжения позволяет сохранить его эксплуатационную способность на весь период поддержания.

При его применении коэффициент дополнительной концентрации напряжений снижается в 2-2,5 раза, и условия поддержания сопряжения становятся эквивалент- 5 ными (или даже ::егче) условиям поддержания протяженной части стволов и выработок на этой же глубине и при тех же вмещающих породах.

Способ учитывает как геометрические

0 размеры сопряжения, так и горно-геологические условия, что позволяет максимально повысить устойчивость вмещающего масси-. ва горных пород и сохранить разгрузочный эффект на длительное время.

5 Способ позволяет экранировать сопряжение от концентрации напряжений, возникающей при влиянии очистных работ и снизить затраты на ремонт и поддержание сопряжения,

0Кроме того, предлагаемый способ значительно технологичней как известного, где разгрузка щелей проводится в кровле и боках выработки вдоль их главной оси. Это связано с тем обстоятельством, что при раз5 резке щелей в описанных способах необходимо снятие металлических рам, а в предлагаемом способе разгрузка осуществляется между рамами.

На фиг. 1 изображено сопряжение ство0 ла с горизонтальной выработкой и разгрузочная дисковая щель; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

Способ осуществляется следующим образом.

5 Дисковые щели 2 указанных параметров проводятся из горизонтальной выработки 1 (например, с помощью бара) перпендикулярно ее главной оси. Расчет эффективности способа.

0 Возьмем достаточно типичные условия для Донбасса. Глубина сопряжения 1000 м, расчетная прочность вмещающих пород 15 мПа, диаметр ствола 3 и ширина сопрягающейся выработки 8 м, срок службы 30 лет,

5 скорость смещения пород 0,5 мм/мес.

Расчет необходимой толщины крепи для бетона М200 (без применения способа) согласно нормативному документу дает величину д 1370 мм.

0 При разделке разгрузочной щели глубиной 4 м, пройденной на расстоянии 5,5 м от . стенки ствола, уровень напряжений снизится на 50%, т.е. полностью устраняется концентрация напряжений, возникающая из-за

5 самого узла сопряжения. Ширина щели равна b 360.0,5 180 мм. Тогда необходимая толщина крепи будет равна 6 490 мм, т.е. стандартной величине толщины крепи ствола.

Таким образом, применение способа позволило уменьшить толщину крепи почти в 3 раза. Отметим, что в приведенном примере при влиянии очистных работ в первом случае будут наблюдаться нарушения крепи несмотря на ее толщину, а во втором влияние очистных работ приведет лишь к более быСтррму закрытию разгрузочной щели, которую впоследствии можно расширить.

Для примера укажем, что обьем ремонта сопряжений по ПО Донецкуголь составляет 5-10 ремонтов в год.

Суммируя сказанное, можно заключить, что предлагаемое техническое решение позволяет увеличить срок службы и безремонтного поддержания сопряжения вертикального ствола с горизонтальными выработками, что достигается за счет эффективной разгрузки и повышения устойчивости сопряжения.

Формула изобретения

Способ защиты сопряжений вертикальных стволов с околоствольными выработка0

5

0

ми, включающий проведение разгрузочных щелей в околоствольных выработках, от л и- чающийся тем, что, с целью увеличения срока службы и безремонтного поддержания сопряжения путем разгрузки его контура от концентрации напряжений и дифференцированного подхода к определению параметров разгрузочных щелей, последние выполняют дискообразной формы перпендикулярно главным осям околоствольных выработок, сопрягающихся со стволом, на расстоянии (0,5-1)а и глубиной (0,5-0.75)а, где а - ширина околоствольной выработки, при этом ширину разгрузочных щелей определяют из соотношения

b /U(t)dt,

о

где Т - срок службы сопряжения;

U(t) - скорость смещения горных пород в районе сопряжения.

Изобретение относится к горному делу и касается предохранения сопряжений шахтных стволов с околоствольными выработками от больших концентраций напряжений. В околоствольных выработках 1 проходят разгрузочные щели 2 дискообразной формы перпендикулярно главным осям выработок 1. сопрягающихся со стволом 3. на расстоянии (0,5-1,0)а и глубиной

А-А