Способ сооружения горной выработки

Способ сооружения горной выработки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧECKMX

РЕСГ!УБЛИК (5!)5 Е 21 D 11/00

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4764673/03 (22) 30.11.89 (46) 07.11.91. Бюл, ¹ 41 (71) Грузинский политехнический институт и

Московский горный институт (72) М.Н, Махарадзе, И.К. Гуджабидзе, Т.В. Хурошвили и С.A. Бачурин (53) 622.235 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1.461966, кл. Е 21 D 11/00, 1987.

Авторское свидетельство СССР

¹1580014,,кл,,Е 21 D 11/00, 1987, (54) СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ (57) Изобретение относится к подземному строительству и позволяет повысить эффективность производства работ в слабых породах при возникновении в кровле выработки растягивэющих напряжений, Для этого используют предварительное силовое воэдейстИзобретение относится к подземному строительству, в частности к способам проходки и крепления горных выработок в слабых породах в условиях преобладающеговертикального 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, продольа ный 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 обра„„SU„„1689637 А1 вие на породный массив, перераспределяют естественное поле напряжений и создают впереди забоя область повышенных сжимающих напряжений. Определяют предел прочности пород на сжатие и их обьемный 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 раскрываютсечение выработки, Определя ют также модуль деформации и коэффициент Пуассона пород и используют твердеющий раствор с близкими деформационными характеристиками, 1 з. и, ф-лы, 2 ил. зуется 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, B 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 выоаботки в результате наложения полей

689637,противоположных по знаку напряжений вокруг выработки устанавливается поле только сжимающих напряжений, что предотвращаетт вывалообразование.

Наиболее опасными явля!отся танген- 5 циальные растягивающие напря>кения, зона распространения которых и величина превышают аналогичные характеристики ,радиальных напряжений. Именно они являются ответственными за обрушение пород.10 кровли. Граница зоны растягива!ощих напряжений в кровле выработки определяется из выражения

371 - it i сов 2 В г=Я

-(1+rl)- (1+3 --12cos2811 В (1-Л )cos28 где г, У- полярные координаты, Л вЂ” коэффициент боково!о давления;

Л= - ! — /4 20

p — коэффициент Пуассона;

R — радиус выработки в проходке.

Угол полуохвата зоны растягивающих напряжений ,;!: 1 1+k 25

< = — arccos ——

2!,1 — А1

Тогда нижняя граница зоны растягива!ощих напряжений находится.от шелыги контура выработки на расстоянии, определяемом из выражения 30

Г = R(1 - сов О ).

Наиболее неблагоприятный с точки зрения увеличения размеров зон растяжения в кровле выработки случай имеет место при коэффициенте бокового давг!ения Л= О, т, е. 35 в отсутствии боковой нагрузки.

В этом случае высота эоны растяжения по,вертикальной оси симметрии выработки (макс= 0,73 Ri

A& 0,13 R, 40

Выра>кение по определению концентрации напряжений вокруг щели (4) имеет вид

3"! (х -+- :! q 2Я )2 — h /4 (45 х + iГх + g /4 — p/4 где P — создаваемое в щели давление;

h — высота щели, Для обеспечения устойчивости выра- 50 ботки нет необходимости компенсировать всю зону растягивающих напряжений. Достаточно ликвидировать их негативное влияние в непосредственной близости от контура выработки.,55

Наибольшего значения сжима!ощие на пряжения. возникающие во;<руг 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. Прл этом для гарантированной компенсации растягива!ощих напряжений под этой линией нижний конец щели следует располагать ниже границы зоны растягивающих напряжений va контуре выработки. Исходя из этих двух соображений, мох<но 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 ЗВМ с коэффициентом корреляции P=

=0,9999 получена зависимость необходимого давления в опережающей щели от высоты последней, при собл!одейии 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 превышаету Н, Таким образом, для снижения трудоемкости работ, связанных с устройством щели, ее максимальный размер следует прлнимать h = 0,54 R. Однако при чреэмерно 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;ативного явления целесообразно использовать для создания давления растворы, которые после твердения имеют деформационные характеристики, близкие к соответствующим свойствам пород.

Способ реализуют следу ощим образом.

При сооружении выработки 1 в условиях вывалообразования, имеющего место в результате действия в ее своде растягивающих напряжений 2, используют и редварительное силовое воздействие на породный массив для направленного перераспределения естественного поля напря>кений и создания впереди забоя 3 области повышенных с>кимающих 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

1689637 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 гидрораэмыв, прорезание баром и т. д, Предварительно из заданного диапазона

0,27R < h < 0,54R, где R — радиус выработки, м.

Выбирают высоту h щели 4 и согласно выражению

Р =0297 у Н(УР) " "/" где у — объемный вес пород, МН/м;

Н вЂ” глубина заложения выработки, м, определяют необходимое давление Р, кото-. рое нужно в ней создать для компенсации растягивающих напряжений 2, возникающих в кровле выработки 1 после 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 так,что ее нижний конец располагался ниже проектного контура шельги свода выработки на расстоянии не менее А= 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 = 0,63Vb, где $—

2 площадь сечения выработки в проходке, м .

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, MGKсимально приближающимися к соответствующим свойствам пород.

При ведении работ в неустойчивых !10 родах целесообразно перед устройством щели 4 возводить в забое 3 предохранительную перемычку (не показана).

5 После твердения раствора 5 и перераспределения естественного поля напряжений вокруг опережающей щели 4 возобновляют работы по раскрытию сечения выработки 1.

На — àêîì подходе основывается прин10 цип опережающей стабилизации кровли выработки. Соблюдение параметров способа позволяет обеспечить устой MBGGTb выработки, исключить применение временной крепи при ее проходке, облегчить конструкl5 цию постоянной крепи, а в определенных случаях вообще отказаться от нее.

Формула изобретения

1. Способ сооружения горной выработки, включающий определение физико-меха20 нических 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, 25 герметизацию щели и создание в ней давления твердеющего раствора, раскрытие сечения выработки, от л и ч а .о щи и с я тем. что, с целью повышения эффективности производства работ, дополнительно опре30 деляют предел прочности пород на сжатие, а щель устраивают высотой

0,27 R< h< 0,54 R, при этом ее нижний конец располагают под проектным контуром выработки на расстоя35 нии не менее

Л= 0,13 R, а давгение в щели создают не менее величины, определяемой из выражения

Р =.0,297 у Н(п/Я)

40 и не более предела прочности пород на сжатие, где h — высота щели, м;

Л вЂ” расстояние от проектного контура выработки до нижнего конца щели, м;

45 P — создаваемое в щели давление, МПа;

R — радиус выработки, м;

1 объемный вес пород, MH/ì;

Н вЂ” глубина заложения выработки, м.

2. Способ по и. 1, отл и ч а ю щи и с я

50 тем, что дополнительно определяют деформационные свойства пород и используют твердеющий раствор с близкими к породам деформационными характеристиками.

1689637

Заказ 3799 Тираж .Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Редактор О, Головая

Составитель Л. Березкина

Техред M.Moðãåíòàë Корректор Т.Палий