Способ управления напряженным состоянием пород вокруг выработки Советский патент 1992 года по МПК E21C41/16 

и последующего упрочнения нарушенной толщи.

Недостатком этого способа является динамическое нагружение крепи при БВР, формирование свода равновесия без учета анизотропии пород, образование незамкну- того контура, который концентрирует давление пород кровли в породах почвы и вызывает разрушение их в виде пучения, формирование устойчивого контура пород без учета протекающего во времени разрушения контура выработки.

Наиболее близким по технической сущности и полученному эффекту является способ управления напряженным состоянием пород вокруг горной выработки (см.авт.св. СССР № 1263868, кл. Е 21 D 11/00. Е 21 С 39/00,5. № 38 от 15.10.1986), включающий бурение опережающих наклонных скважин в кровле и почве выработки до начала разрушения пород, взрывание ВВ в них с образованием разгрузочных полостей диаметром более 1/2 ширины выработки, глубина расположения ВВ равна 3...4 радиусам зоны дробления.

Недостатками прототипа являются отсутствие учета разрушения от сжимающих напряжений в боках и усиление проявлений горного давления на контуре охраняемой выработки после исчерпания податливости разгрузочных полостей.

Целью изобретения является повышение устойчивости охраняемой выработки в слоистом анизотропном массиве за счет создания замкнутого устойчивого контура не- нарушенных пород и поддержания выработки в массиве разгруженных пород. Поставленная цель достигается тем, что по известному способу управления напряженным состоянием пород вокруг горной выработки бурят скважины за контур выработки, заряжают и взрывают в них камуф- летные заряды ВВ.

В отличие от прототипа, в данном техническом решении взрыванием ВВ в скважинах формируют замкнутую зону разгруженных пород в виде устойчивого контура ненарушенных пород эллипсоидной формы в сечении, размер малой полуоси эллипсоида равен глубине разрушения пород в плоскости напластования, а большая полуось определяется

L- Катах 3/2,

где а - малая полуось эллипсоида;

К a maxs - максимальный коэффициент анизотропии пород К а max - К ,

. Rflp - пределы прочности на сжатие перпендикулярно и растяжение параллельно слоистости, МПа.

По прототипу образование разгрузочных полостей в кровле и почве выработки создает незамкнутую в сечении область из 3 отверстий, длинная ось которой направлена параллельно действию максимального напряжения горного давления. Это преоб0 разовывает форму сечения выработки из арочной, близкой к круглой равнорадиус- ной, в эллиптическую, что позволяет изменить распределение тангенциальных напряжений вокруг выработки для изотроп5 ных пород.

Горные породы преимущественно представленны слоистыми, а следовательно, анизотропными породами, свойства которых зависят от направления действия

0 напряжений. Поэтому локализация разрушения пород от напряжений, предусмотренная в прототипе, будет зависеть от свойств данных пород в рассматриваемом направлении. В прототипе отсутствует при5 чинно-следственная связь между свойствами пород, формой создаваемой области и результирующей эпюрой распределения напряжений, поэтому отсутствует сущность процесса управления, т.е. целенаправлен0 ное изменение исходных данных.

В отличие от прототипа заявляемое решение учитывает различие свойств пород в зависимости от направления действия напряжений, которое характеризуется анизот5 ропией пород. Вокруг выработки создается замкнутая область разгруженных пород эллипсовидной формы в сечении, положение которой определяется размерами диагоналей эллипса.

0 Устойчивое состояние образуемой области вокруг выработки по заявляемому решению обеспечивается взаимной зависимостью анизотропности пород и геометрических размеров эллипсовидной об5 ласти. В прототипе благоприятное положение контура ненагруженных пород или ложный контур выработки не сохраняется во время поддержания выработки вследствие его образования вне зависимо0 сти от свойств вмещающих пород. Поэтому под действием напряжений горного давления контур ненарушенных пород будет менять свое местоположение, вызывая дополнительное разрушение пород и ухуд55 шая поддержание выработки.

В заявляемом решении, в отличие от прототипа, устойчивость контура ненарушенных пород обеспечивается на длительный период поддержания выработки.

Условием устойчивого положения контура

является уравновешивание неустойчивого состояния массива, возникающего вследствие образования полости горной выработки для распределения напряжений горного давления в гидростатическом поле напря- жений. В слоистом горном массиве на достаточных глубинах напряжения горного давления действующие нормально к плоскости напластования и в плоскости напластования, равны (гидростатичность), а различие свойств пород в этих же направлениях под действием одинаковых напряжений обуславливает неустойчивость массива. При образовании горной выработки процесс разрушения пород является затухаю- щим и массив приходит в равновесное состояние при образовании контура ненарушенных пород,по форме сечения близкого к эллипсу. Условием устойчивого положения замкнутого контура ненарушен- ных пород в гидростатическом поле напряжений горного давления будет пропорциональная зависимость между геометрическими параметрами области и анизотропией свойств пород. В соответствии с теорией размерностей и подобия (см.Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. - М.: Наука, 1987, с.63-70) безраз- мерность этих показателей будет являться условием их взаимной связи. Для эллипсо- видной области характерными параметрами являются длины диагоналей а и b , соотношение которых безразмерно, для свойств пород - коэффициент анизотропии Ка.

В соответствии с прототипом предполагается разрушение пород контура выработки только от растягивающих напряжений. Однако в процессе поддержания выработки в слабых породах или на больших глубинах происходит разрушение пород от сжимающих напряжений в боках (см.Уголь, 1987, № 12, с.23-27).

Поэтому создаваемый по прототипу контур пород будет неустойчив и, как след- ствие, интенсифицирует разрушение пород в кровле и почве выработки во время поддержания выработки.

Разрушение пород вокруг выработки происходит под действием растягивающих напряжений (в направлении перпендикулярно напластованию) и сжимающих напря- жений (в плоскости напластования) (см.Литвинский Г.Г. Механизм получения пород почвы подготовительных выработок. - Уголь, 1987, № 2, с.15-17). Основными характеристиками, определяющими процесс разрушения вокруг выработки, являются пределы прочности пород в зависимости от их расположения вокруг выработки. Для

пород кровли и почвы - предел прочности на растяжение , в боках-предел прочности на сжатие. Соотношение этих пределов прочности и определяет величину коэффициента анизотропии пород, причем величина прочности пород рассматривается в зависимости от напластования пород, так для пород в боках выработки - это предел прочности на сжатие перпендикулярно слоистости R с , для пород кровли и почвы - предел прочности на растяжение параллельно слоистости . Таким образом коэффициент анизотропии определяется:

К a max R с /R p

Принятие максимального коэффициента вызвано условием сохранения устойчивого состояния замкнутого контура в период поддержания выработки. Наибольшая устойчивость контура пород обеспечивается при предотвращении разрушения пород от растяжения или от сжатия, чему соответствует максимальный коэффициент анизотропии пород. По результатам лабораторных испытаний пород Западного Донбасса Ка для аргиллитов равен 1,8, для алевролитов - 2,5, песчаника - 1,3.

В заявляемом решении размер малой диагонали эллипсовидной области определяется по глубине достигнутого разрушения пород в боках выработки и в соответствии с коэффициентом анизотропии пород определяется длина большой диагонали создаваемой эллипсовидной области. Причем, ь отличие от прототипа, в заявляемом решении можно корректировать положение контура ненарушенных пород в зависимости от изменений напряженного состояния (например под действием горных работ), контролируя глубину разрушения пород в боках и изменяя размеры зоны вокруг выработки, т.е. осуществлять процесс управления напряженным состоянием пород вокруг выработки.

По прототипу зона разрушения от ка- муфлетных взрываний создается по оси действия максимальных сжимающих напряжений горного давления. Податливость зоны с размерами не более двух радиусов дробления (1...3 м) исчерпывается за срок менее периода службы выработки и после этого усиление горного давления происходит на контуре охраняемой выработки, что приводит к разрушениям и смещениям пород контура.

В заявляемом решении обеспечивается устойчивость контура ненарушенных пород как от растягивающих, так и от сжимающих напряжений, что обеспечивает поддержэние выработки в разрушенных породах, но разгруженных от напряжений горного давления.

В заявляемом способе предусматривается ограничение минимальной длины скважин, расположенных перпендикулярно плоскости напластования, указанное уточнение связано с направлением действия в массиве максимального напряжения перпендикулярно плоскости напластования. В этом случае ограничение длины относится только к указанным скважинам. Дополнительные скважины, расположенные наклонно к плоскости напластования, необходимы только для формирования замкнутой области вокруг выработки, их расположение, длина и количество определяются конкретными условиями: размерами выработки, глубиной зоны разрушения пород в боках, анизотропностью пород, расположением создаваемого контура ненарушенных пород вокруг выработки. Для установления длины наклонных диагональных скважин определяется местоположение проектируемого замкнутого контура зоны разгрузки по глубине зоны разрушения в плоскости напластования и анизотропии пород, а затем определяется глубина и угол наклона сква- жины с целью создания замкнутого контура ненарушенных пород при взрывании в скважинах зарядов ВВ. Превышение длины скважин, пробуренных перпендикулярно напластованию, более минимально допустимой не ограничено теоретически, на практике может производиться до первого наиболее устойчивого слоя пород.

Для заявленного способа цель изобретения будет достигнута при расположении вееров скважин через расстояние, обеспечивающее взаимное влияние вееров скважин, равное не более двух радиусов интенсивной трещиноватости от взрывания заряда В В в скважине.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что данное техническое решение является новым и соответствует критерию существенные отличия, т.к. представляет собой совокупность новых и известных признаков, которые позволяют снизить затраты на поддержание выработки за счет создания замкнутого устойчивого контура пород и поддержания выработок в массиве разгруженных пород.

На чертеже показано создание областей вокруг выработок при различной анизотропии пород, где 1 - контур горной выработки, 2 - контур ненарушенных пород, 3 - скважины, 4 - камуфлетная полость, а - зона разрушения пород в плоскости напластования ( малая диагональ), b - диагон§лЈ перпендикулярно напластованию.

Способ управления напряженным со- стоянием пород вокруг выработки включает

определение направления--напластования пород на сохраняемом участке по величине угла между вертикальной осью и плоскостью напластования при проведении выработки, затем в плоскости напластования

пород, пересекающей сечение выработки, в обе стороны от выработки проводят бурение скважин на глубину, достаточную для определения максимально удаленной границы зоны разрушения пород в плоскости

напластования, по скважинам приборным путем (ультразвуковым или перископическим способом) определяют глубину границы разрушенных пород, затем производят бурение скважин перпендикулярно плоскости напластования пород, причем в процессе бурения производят отбор кернов пород, залегающих в кровле, почве и боках выработки, производят испытание кернов на сжатие и растяжение и по стандартным методикам определяют пределы прочности пород и максимальный коэффициент анизотропии пород, по заявляемому соотношению определяют размеры замкнутой разгрузочной полости эллипсоидной в плоскости поперечного сечения формы, по известным аналитическим зависимостям определяется размер камуфлетных полостей при взрывании принятого заряда ВВ, в пределах эллипсоидной разгрузочной полости определяется расположение скважин при условии соприкосновения камуфлетных полостей между веерами скважин и между скважинами в веере, по размеченным направлениям и определенной длиной выполняется бурение скважин на охраняемом участке выработки, в скважинах устанавливаются камуфлетные заряды ВВ и производится взрывание зарядов.

Пример конкретного выполнения.

Для охраны горной выработки в зоне повы- шейного горного давления от опорного целика надработанной лавы станком БГА-4М производили бурение скважин л 300 мм в боках выработки на глубину 5 м и при помо0 щи визуальных наблюдений через оптический перископ РВП-456 определили глубину разрушения пород в боках, равную с правого борта 3,6 м, с левого - 4,3 м. С учетом ширины выработки.(4,7 м) ширина зоны (ма5 лая диагональ)составила 3,6 + 4,3+4,7 12.6 м. Коэффициент анизотропии для вмещающих пород (аргиллитов и алевролитов) при сжатии по нормали к напластованию и параллельно ей составил 1.3..,2,8, при растяжении - 1,7,..3,5. Длина большой диагонали составила 12,6 х 3,5 44,1 м.

По длине выработки на участке 120 м бурили веера наклонных и вертикальных скважин через 3 м по длине выработок, в каждом веере 6 скважин (2 вертикальных и 4 диагональных). Наклонные диагональные скважины длиной 12,5 м бурилиХЗОО мм и не заряжали ВВ, вертикальные скважины бурили длиной 22 м диаметром 120 мм. Равномерно по длине вертикальных скважин через 1,5...2,5 м (к вершине скважины чаще) распологали заряды В В (0,6 кг аммонита Т-19),закрепление их в месте расположения производили при помощи деревянных реперов, сдвигаемых по срезу и расклиниваемых в скважине сверху вниз (для восходящих) и снизу вверх (для нисходящих). С замедлением взрывались более глубоко расположенные заряды ВВ.

Преимуществами заявляемого способа в сравнении с прототипом является сохранение устойчивого состояния контура пород при поддержании выработки в разгруженной зоне за счет учета разрушения пород в боках, использование, податливости разрушенных пород вокруг выработки для сохранения сечения охраняемой выработки.

Экономический эффект заявляемого способа заключается в снижении затрат на поддержание выработки в 2,0...2,5 раза.

Формула изобретения Способ управления напряженным состоянием пород вокруг выработки, включающий бурение скважин в контур выработки,

их заряжание и камуфлетное взрывание с образованием разгрузочных полостей из раздробленной породы, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости

охраняемой выработки в условиях слоистого анизотропного массива окружающих пород, первоначально- определяют направление напластования пород, скважины вдоль выработки бурят в виде круговых вееров с расстояниями между концами скважин в веере и между веерами, обеспечивающими соприкосновение камуфлетных полостей, образуемых при взрыве каждой скважины, с образованием единой замкнутой разгрузочной полости эллипсовидной в плоскости поперечного сечения выработки формы, причем размер малой полуоси эллипсоида принимают равным глубине зоны разрушения пород в плоскости их напластования, а размер большей полуоси, ориентированной перпендикулярно напластованию пород, определяют из выражения.

25

L K

a max

а/2.

где а - размер малой оси эллипсоида разгрузочной полости (глубина зоны разрушения пород окружающего выработку массива в плоскости их напластования); К a max - максимальный коэффициент

анизотропии пород. К а max :

R с предел прочности пород при сжатии перпендикулярно напластованию, МПа; R1 p - предел прочности пород при рас- тяжении параллельно напластованию, МПа.

к«,Ч0

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, в частности к управлению напряженным состоянием пород вокруг горных выработок. Цель - повышение устойчивости охраняемой выработки в условиях слоистого анизотропного массива окружающих пород. В процессе проведения выработки определяют направление напластования пород (НП) в окружающем массиИзобретение относится к горному делу и может быть использовано для охраны горных выработок. Известен способ управления напряженным состоянием пород вокруг параллельных выработок (см. авт.св. СССР № 1268738, кл. Е 21 D 13/02. Б. № 41 от 7.11.1986). включающий приведение горных выработок в плоскости максимальных напряжений горного давления и разрушение целика между выработками. ве. В плоскости НП в обе стороны от выработки бурят скважины (С), через которые приборами определяют глубину разрушения пород. После этого бурят С перпендикулярно плоскости НП. Известными методами определяют пределы прочности пород на сжатие и растяжение, после чего определяют размеры замкнутой разгрузочной полости эллипсовидной формы, малую полуось которой принимают равной глубине зоны разрушения в плоскости НП, а большую определяют из выражения max а/2, где а - размер малой полуоси эллипсоида полости; К а max максимальный коэффициент анизотропии пород; Ка max ; R - предел прочности пород на сжатие перпендикулярно НП; - предел прочности пород на растяжение параллельно НП. После этого бурят круговые веера С и производят их камуфлетное взрывание, причем расстояние между концами С и между веерами определяют, исходя из соприкосновения образуемых камуфлетных полостей, что обеспечивает образование единой замкнутой разгрузочной полости.1 ил. Недостатками этого способа являются действие максимальных напряжений на контуре охраняемых выработок и увеличенные затраты на проведение и поддержание двух выработок. Известен способ охраны горной выработки (см.авт.св. СССР № 1446310, кл. Е 21 С 41/06, Б. № 47 от 23.12.1986г.), включающий искуственное формирование свода естественного равновесия за счет образования устойчивого контура ненарушенных пород при взрывании ВВ в шпурах V4 -ч О Ј гО