Способ крепления горных выработок со слабыми породами кровли анкерной крепью

Способ крепления горных выработок со слабыми породами кровли анкерной крепью

Реферат

 

Изобретение относится к креплению горных выработок, кровля которых сложена слабыми породами. Оно направлено на снижение затрат при креплении и повышение устойчивости выработок. Способ крепления включает бурение скважин в кровлю при проведении выработок, формирование грузонесущей потолочины, закрепление в ней анкеров. Скважины в породах кровли бурят с опережением забоя на две заходки. Из них у боков выработки бурят наклонно скважины с выходом их за контур отжима и опасных деформаций пород в боках на величину 0,25 - 0,3 ширины выработки, нагнетают в скважины раствор твердеющей смеси и формируют грузонесущую потолочину по ширине выработки с выходом концов ее за контур отжима и опасных деформаций пород в боках на величину, составляющую 0,25 - 0,3 ширины выработки. 3 ил.

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам крепления анкерной крепью горных выработок, кровля которых сложена слабыми породами.

Анкерная крепь применяется на угольных и рудных шахтах для крепления капитальных и подготовительных выработок, кровля которых сложена породами прочными и средней прочности, т.е. породами, в которых возможно закрепление анкеров с усилием, достаточным для восприятия ими горного давления и обеспечения безопасного состояния выработок на протяжении всего времени службы.

В выработках же со слабыми породами кровли анкерная крепь не применяется. Исключение составляют отдельные случаи, когда породы предварительно упрочняют вяжущими материалами - цементно-песчаными растворами или смолами, а затем анкерную крепь применяют самостоятельно или в сочетании с обычными видами крепи.

Применение анкерной крепи, характеризующейся очень низкой материалоемкостью и дешевизной, в выработках по слабым породам, прежде всего со слабой кровлей, вместо материалоемких и дорогих рамных, монолитных бетонных и сплошных сборных железобетонных крепей позволит резко повысить эффективность крепления выработок.

Известны способы упрочнения обрушенных пород связующими материалами, формирование из них искусственной кровли и проведение по упрочненным породам под защитой искусственной кровли выработок по а.с. СССР N 655459, кл. E 21 D 9/04, 1979, а.с. СССР N 1033757, кл. E 21 D 19/00, E 21 D 9/04.

В этих способах определяют упрочнение обрушенных пород и формирование из них искусственной кровли для обеспечения безопасного проведения по ним выработок и крепления их рамной или сплошной крепью. В них не определены условия и параметры формирования упрочненной кровли вяжущими твердеющими материалами, пригодной для анкерования в выработках.

Известен способ по а.с. СССР N 1682580, кл. E 21 D 11/00, 1991, который определяет область формирования искусственной кровли из обрушенных пород при завале выработок вмещающими породами путем упрочнения их вяжущими материалами и установки в них штанг-арматуры с закреплением замков за контуром обрущения пород. Область же крепления выработок анкерной крепью, кровля которых сложена слабыми породами, данный способ не определяет.

Известны способы повышения устойчивости рудного массива по а.с. СССР N 1219814, кл. E 21 D 20/00, N 1617149, кл. E 21 D 20/00, N 1739044, E 21 D 20/00, сущность которых заключается в бурении из выработанного пространства в рудный массив скважин, установку в них анкеров, выемку предварительно заанкерованной рудной толщи лентами и горизонтальными слоями в восходящем порядке под защитой установленных анкеров. В этих способах не решены вопросы крепления слабой кровли анкерной крепью проводимых и поддерживаемых горных выработок и известные в них технические решения не позволяют создать способ крепления выработок со слабыми неустойчивыми породами кровли анкерной крепью. Они обеспечивают отработку рудных залежей в восходящем порядке, а не крепление и поддерживание выработок в слабых породных массивах с различными сроками службы.

Известен способ опережающего анкерного крепления при проходке выработок по а.с. СССР N 1765441 A1, кл. E 21 D 20/00, согласно которому при проходке выработок бурят наклонные опережающие шпуры в направлении проведения выработки, в конце наклонной части каждого шпура бурят криволинейный участок и далее участок, перпендикулярно направленный к продольной оси выработки. Наклонную часть каждого шпура бурят внутри контура выработки на глубину, равную длине заходки, при этом из наклонной части с интервалом по ее длине бурят ряд дополнительных перпендикулярно-направленных участков шпура, причем, анкеры устанавливают в пределах перпендикулярно направленных участков, а свободную часть используют после установки анкеров для взрывной отбойки породы.

Недостатком способа является отсутствие в нем решения по формированию с помощью анкеров грузонесущей кровли из слабых горных пород. Кроме того, способ очень трудоемкий из-за необходимости бурения шпуров под крепежные анкеры дугообразно, причем из наклонной части шпуров вертикальную часть шпуров, в которую устанавливают гибкие анкеры (трос, провод) и при необходимости замоноличивают твердеющей смесью. Замоноличивание анкеров в шпурах может производиться лишь после выемки породы очередной закладки.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является способ крепления горной выработки по а.с. СССР N 1763674 A1, E 21 D 20/00, заключающийся в бурении шпуров в кровле выработки по мере проходки ее, установке коротких погружных и длинных податливых анкеров, проведении в кровле разгрузочной щели вдоль выработки и заполнении ее податливым материалом, причем, перед установкой податливых анкеров в кровле выработки формируют упрочненную потолочину на расстоянии от ее контура, составляющем 0,2-0,25 ширины выработки, которую укрепляют короткими погруженными анкерами, длиной, равной ее мощности, а податливые анкеры устанавливают длиной, равной суммарной величине мощности нижних слоев и упрочненной потолочины. Мощность упрочненной потолочины формируют с учетом протела выработки, физико-механических свойств вмещающих пород и действующих в них напряжений из расчета восприятия нагрузки от вышележащих пород в своде давления.

Недостатком способа является то, что упрочненную потолочину формируют после обнажения пород кровли, что не исключает развитие опасных деформаций и обрушений слабых пород в течение времени с момента обнажения их до формирования потолочины с помощью коротких погружных анкеров или до установки податливых анкеров с последующим формированием потолочины.

Ширина формуемой по данному способу потолочины меньше ширины выработки, которая принимается исходя из ширины естественного свода обрушения пород кровли без учета возможных опасных деформаций пород в боках выработки и обрушении их. В практике угольных и месторождений других полезных ископаемых происходит обычно раздавливание и разрушение пород в боках выработки и ширина опасных деформаций и вывалов пород в кровле существенно больше ширины свода обрушения пород кровли и ширины выработки. Следовательно, формирование потолочины без учета опасных деформаций пород в боках выработки и крепление кровли выработки анкерами не обеспечивает устойчивости кровли и безопасности эксплуатации выработки.

Кроме того, данный способ очень трудоемкий, так как он включает ввинчивание погружных коротких анкеров, с помощью которых формируют потолочину, и устройство разгрузочной щели посередине выработки на глубину до нижней границы упрочненной потолочины.

Задачей заявляемого изобретения является снижение затрат на крепление и поддержание выработок и повышение их устойчивости.

Решение задачи достигается тем, что в предлагаемом способе, включающем бурение скважин в кровлю при проведении выработок, формирование грузонесущей потолочины, закрепление в ней анкеров, отличающейся тем, что скважины в породы кровли бурят с опережением забоя на две заходки, из них скважины у боков выработки бурят наклонно с выходом их за контур отжима и опасных деформаций пород в боках на величину, равную 0,25-0,3 ширины выработки, нагнетают в скважины раствор твердеющей смеси и формируют грузонесущую потолочину по ширине выработки с выходом концов ее за контур отжима и опасных деформаций пород в боках на величину, составляющую 0,25-0,3 ширины выработки.

Предлагаемый способ обеспечивает по сравнению с прототипом упрочнение пород кровли в массиве до обнажения их, что исключает опасные деформации их с момента обнажения до формирования грузонесущей потолочины и закрепления кровли анкерной крепью. В результате предварительного упрочнения пород кровли в массиве достигается повышение устойчивости пород кровли и безопасности работ.

В заявляемом способе по сравнению с прототипом формируется грузонесущая и безопасная потолочина по ширине выработки исходя из ширины возможного вывала и опасных деформаций пород кровли, которая в реальных условиях ведения горных работ складывается непосредственно из ширины выработки и величины отжима и опасных деформаций пород в боках выработки и величины безопасной заделки (заглубления) концов ее (потолочины) за опасным боковым контуром выработки. Этот весьма отличный от прототипа признак обеспечивает надежное и безопасное функционирование потолочины и, следовательно, анкерной крепи и выработки на протяжении всего срока ее службы.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом менее трудоемкий, так как потолочина формируется не короткими погружными анкерами длиной, равной мощности потолочины, которые устанавливают ввинчиванием, а путем упрочнения пород кровли раствором быстротвердеющей смеси до грузонесущего состояния. Кроме того, способ не включает устройства разгрузочной щели в кровле выработки, что является очень трудоемкой работой и в слабых породах приводит к резкому снижению их устойчивости в обнажении.

Бурение скважин в кровлю с опережением забоя выработки на две заходки сокращает время на твердение смеси (по сравнению с опережением забоя на одну заходку) и формирование грузонесущей потолочины, снижает затраты времени на подготовительно-заключительные операции проходческого цикла и при этой длине скважин достигается эффективное бурение их, равномерное и доброкачественное нагнетание и распределение раствора в упрочняемых породах. Такое опережение является наиболее оптимальным в части обеспечения равномерного и надежного распределения раствора в упрочняемых породах и формирования потолочины и в части организации скоростной проходки выработок.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

На фиг. 1 показан поперечный разрез выработки с упрочненными породами кровли и закрепленной анкерной крепью, на фиг. 2 - продольный разрез А-А, на фиг. 1 с расположением опережающих буровых скважин; на фиг. 3 - разрез В-В на фиг. 1.

Способ осуществляют следующим образом.

По мере проведения выработки 1 со слабыми породами кровли непосредственно из призабойного пространства выработки бурят кровлю скважины 2, опережающие забой на две заходки 3. Скважины 4 в кровлю у боков выработки бурят наклонно с выходом их за контур отжима и опасных деформаций пород в боках 5 на величину равную 0,25-0,3 ширины выработки. На шахтах, разрабатывающих угольные, рудные и другие месторождения полезных ископаемых, капитальные и подготовительные выработки проводят обычно шириной от 3 до 6 м. Следовательно, скважины 4 у боков выработки необходимо бурить длиной с выходом их за контур зоны возможного отжима и опасных деформаций в боках выработки на величину от 0,6-0,75 м (при ширине выработки 3 м) до 1,5-1,8 м (при ширине выработки 6 м. Величину отжима и опасных деформаций пород в боках выработки в конкретных горно-геологических и горно-технических условиях определяют обычно инструментальными и визуальными наблюдениями и испытанием пород на прочность. После бурения в кровлю опережающих скважин 2 и 4 на очередные две заходки 3 забоя в них нагнетают раствор твердеющей смеси, например цементно-песчаный, с добавками-ускорителями схватывания и твердения, упрочняют породы кровли и формируют грузонесущую потолочину 6, обеспечивающую надежное закрепление в ней анкерной крепи и восприятие давления вышележащих пород. Потолочину 6 формируют по ширине выработки с выходом концов ее 7 за контур 5 отжима и опасных деформаций в боках выработки на величину, составляющую 0,25-0,3 ширины выработки (в проходке). Затем после затвердения в породах раствора в потолочину бурят шпуры и устанавливают в них анкеры 8 согласно паспорту крепления выработки в конкретных условиях. Замки анкеров закрепляют в потолочине с требуемой для конкретных условий прочностью.

Предлагаемый способ повышает надежность и эффективность крепления горных выработок со слабыми породами кровли, повышает их устойчивость, снижает затраты на крепление и поддержание выработок путем обеспечения более полного использования несущей способности пород кровли и формирования потолочины исходя из особенностей деформирования и разрушения пород под воздействием горного давления.

Формула изобретения

Способ крепления горных выработок со слабыми породами кровли анкерной крепью, включающий бурение скважин в кровлю при проведении выработок, формирование грузонесущей потолочины, закрепление в ней анкеров, отличающийся тем, что скважины в породах кровли бурят с опережением забоя на две заходки, из них скважины у боков выработки бурят наклонно с выходом их за контур отжима и опасных деформаций пород в боках на величину, равную 0,25 - 0,3 ширины выработки, нагнетают в скважины раствор твердеющей смеси и формируют грузонесущую потолочину по ширине выработки с выходом концов ее за контур отжима и опасных деформаций пород в боках на величину, составляющую 0,25 - 0,3 ширины выработки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3