Способ обеспечения устойчивости горных выработок

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано в подземном строительстве. Цель - уменьшение материальных и трудовых затрат, повышение безопасности работ. Для этого проводят и закрепляют выработку, в которой по периметру бурят контрольные шпуры и определяют интенсивность трещиноватости и размеры области разрушения пород. Контрольные шпуры бурят на расстоянии 1-3 м от забоя глубиной не менее 0,6 ширины выработки вчерне. Измерения производят через каждые 1,0-1,5 м подвигания забоя на расстоянии от него 4-5 ширины выработки вчерне. При размере области разрушения менее 50% периметра упрочнение приконтурного слоя анкерами производят в пределах этой области. В противном случае устанавливают момент затухания разрушения, а затем производят упрочнение.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ 1573188 А 1 (51)5 E 21 D 1!/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АSTGPCHÎMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 (54) СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОД!И

ВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК (57) Изобретение относится к горному делу и может быть использовано в подземном строительстве. Цель — уменьшение материальных и трудовых затрат, повышение безопасности работ. Для этого проводят и закрепляют выработку, в которой по периметру бурят контрольные шпуры и определяют интенсивность трещиноватости и размеры области разрушения пород. Контрольные шпуры бурят на расстоянии 1 — 3 м от забоя глубиной не менее 0,6 ширины выработки вчерне.

Измерения производят через каждые 1,0—

1,5 м подвигания забоя на расстоянии от него 4 — 5 ширины выработки вчерне. При размере области разрушения менее 50Я периметра упрочнение приконтурного слоя анкерами производят в пределах этой области. ,В противном случае устанавливают момент затухания разрушения, а затем производят упрочнение.

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4331534/31-03 (22) 20.11.87 (46) 23.06.90. Бюл. № 23 (7l ) Донецкий политехнический институт (72) И. Ф. Пота пки н, А. С. Брати шко и И. И. Потапкин (53) 622.191 (088.8) (56) Указания по рациональному расположению охраны и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР.— Л., ВИИМИ, МУП СССР, 1985.

Проходка горизонтальной породной выработки с использованием нового австрийского способа туннелестроения.— «Глюкауф», 1981, № 7, с. 20 — 23.

Изобретение относится к горному делу, в частности к способам, обеспечивающим устойчивость горных выработок в различных горногеологических условиях, и может быть использовано на предприятиях угольной и горнорудной промышленности, а также при строительстве подземных сооружений.

Цель изобретения — уменьшение материальных и трудовых затрат, а также повышение безопаснбсти работ.

Проводят и крепят выработку приконтурного массива горных пород, бурят контрольные шпуры по контуру выработки на расстоянии 1 — 3 м от забоя глубиной не менее ширины выработки вчерне и по ним определяют интенсивность трещиноватости пород через каждые 1,0 — 1,5 м подвигания забоя (за один цикл при буро-взрывных работах (БВР) или за одну заходку при проведенни комбайном) на расстоянии 4 — 5 ширины выработки вчерне, затем определяют направление и облас-ь разрушения пород по периметру выработки и при размерах области разрушения до 50% производят дополнительное упрочнение этой области в забое выработки до Нх разрушения. а при разрушении более 50Я периметра определяют момент затухания разруп.ений и только после этого производят упрочнение разрушенной области пород.

В качестве объекта контроля механических процессов принимается трещиноватость горных пород и ее дин-ìèêà,,а также технологические воздействия на породы направленного характера с целью повышения их устойчивости, объем которых устанавливается в зависимости от динамики трещиноватости пород вокруг выработки.

1573188

Выбор в качестве объекта контроля механических процессов трещиноватости горных пород обусловлен следующим.

Механизм деформации и разрушения твердых тел существенно связан именно со структурой вещества. Контроль трещиноватости горных пород и ее динамики позволяет рассматривать не последовательность стадий механического процесса, а последовательность результатов этого процесса, дошедшего до разных стадий развития. Сходство динамики распределения густоты трещин и распространения деформаций глубоко закономерно и отражает статистическую сторону деформации и разрушения. При этом интенсивность (густота) трещиноватости выступает как мера остаточной деформации.

Появление трещины в породе однозначно определяет, что механические напряжения в этом месте достигли предела прочности породы, при этом нет необходимости определять как то, так и другое. Поэтому контроль механических процессов, происходящих в массиве пород, по результатам измерения перемещения контура выработки внутрь ее,не является объективным с точки зрения анализа результатов механических процессов. Так как нагрузка на крепь горной выработки и напряжения в бетонной оболочке являются производными от перемещения контура крепи, они также несут запаздывающую информацию о механических процессах в массиве горных пород. Своевременное выявление мест возможного разрушения горных пород вокруг подготовительных выработок позволит путем направленного упрочнения добиться эффекта обеспечения устойчивости горных пород при значительно меньших материальных и трудовых затратах.

Сечение современных подземных подготовительных выработок в проходе 20 — 30 м, при этом периметр контура сечения выработки достигает 20 м. Выполнение мероприятий по повышению прочности горных пород по всему контуру приводит к большим материальным и трудовым затратам. Так, в соответствии с существующими нормативными документами для обеспечения устойчивости подготовительной выработки сечением 15 M в проходке необходимо установить 8 — 10 анкеров на глубину 2 — 3 м. В ro же время при направленном упрочнении, как показывает опыт, можно обойтись одним анкером. Кроме этого, контроль трещиноватости горных iloрод вокруг подготовительной выработки может использоваться для выбора и установления параметров и других, кроме упрочнения, мероприятий по повышению устойчивости пород.

Так как трещиноватость пород однозначно и объективно характеризует состояние массива горных пород и для обеспечения устойчивости выработки важно, необходимо и достаточно не допустить ее развития, т. е. разрушения горныx iпrоoр оoд,, тTо o кKоOнHтTр оoль тре5

25 зо

35 щиноватости необходимо осуществлять как можно ближе к забою выработки, чтобы выявить момент начала разрушений пород.

Раньше этот фактор не учитывался, так как определяли не начало разрушений пород, а только возможность их разрушения по контролю напряжений и смещений пород. Поэтому в способе предусмотрено бурение контрольных шпуров для непосредственного определения трещиноватости пород с целью выявления момента начала их разрушения на расстоянии 1 — 3 м от забоя выработки. При этом бурение контрольных шпуров на расстоянии от забоя менее 1 м по условиям технологии работ затруднительно, а на расстоянии более 3 м можно «упустить» момент начала разрушения, следствием чего может быть больший объем работ по направленному укреплению пород.

Для выявления динамики трещиноватости частота контроля связывается с величиной подвигания забоя за один цикл: в соответствии с данными практики при буровзрывном способе проведения она составляет

1,0 — 1,4 м, при комбайновом величина заходки составляет 1,0 — 1,5 м и обычно кратна шагу установки крепи (0,5 — 1,0 м).

В способе предусмотрена частота контроля трещиноватости пород через 1,0 — 1,5 м подвигания забоя. Пределы изменения параметра 1,0 — 1,5 м выбраны из следующих соображений: частый контроль (через расстояние меньшее 1,0 м) не оправдан экономически, так как требует повышенных затрат на контроль; при редком контроле (через расстояние более 1,5 м) можно допустить значительное развитие трещиноватости, а значит, и большие объемы разрушений пород, следствием чего будут повышенные затраты на укрепление пород.

Глубина контрольных шпуров определяется возможным размером зоны разрушения пород вглубь массива. При этом глубина контрольного шпура меньше 0,6 ширины выработки вчерне недо пус-.Hì ÿ, так как не буд охвачена контролем —,рещиноватости вся возможная зона ра":ðóè píèÿ пород, а глубина контрольного шпура более ширины выработки вчерне, как показывают исследования, маловероятна. В пределах

0,6 — 1,0 ширины выработки вчерне глубина контрольного шпура для конкретных условий определяется по известной методике.

По способу контроль трещиноватости для выявления момента начала и масштабов разрушения пород осуществляется при подвигании забоя выработки на расстояние не менее 4 — 5 ширины выработки вчерне, что составляет при известных размерах типовых сечений горных выработок 20 — 30 м.

Шахтными исследованиями установлено, что локальное упрочнение пород в забое выработки эффективно, когда размер области разрушений пород вокруг выработки не превышает 50Я периметра выработки. При

1573188 разрушениях более 50Я контура предварительное упрочнение не производят, а осуществляют контроль разрушений пород до их затухания. Момент затухания определяют контролем по выполаживанию кривой интенсивности трещиноватости пород. По данным контроля определяют размер зоны разрушения по всему контуру и осуществляют технологические действия по инъекционному упрочнению пород.

На шахте проводили главный откаточный квершлаг на глубине 624 м площадью сечения в свету 21,1 м комбайном 4 ПП-5 по породам от слабых до устойчивых с прочностью на одноосное сжатие 16 — 60 МПа. Крепь— трехзвенные металлические арки из спецпрофиля с железобетонной затяжкой, расстояние между рамами 0,5 м. Дополнительно производили тампонаж закрепного простра нства цементно- песчаны м раствором.

В связи со сложными горно-геологическими условиями, большой глубиной рязраоотки, слабыми боковыми породами происходила интенсивная деформация пород, окружающих квершланг, особенно с западной стороны. Большие смещения пород в капитальной горной выработке привели к необходимости перекрепления ее.

Для повышения устойчивости квершлага на основе визуальной оценки состояния горной выработки первоначально было решено упрочнять вмещающие породы по всему контуру путем химического анкерования. При этом предусматривалось через 1 м выработки бурить 6 — 10 скважин на глубину 3,2 м и установить в каждой металлический анкер.

Такой способ охраны требовал больших дополнительных затрат и необоснованного увеличения сроков прохождения выработки.

Поэтому руководство шахты приняло пред; ложение осуществить способ обеспечения устойчивости горной выработки на основе контроля трещиноватости пород.

Пример. В соответствии с предлагаемым способом в квершлаге на расстоянии 1,5 м от забоя пробурили четыре контрольных шпура; два шпура — по бокам вдоль слабого слоя пород на высоте 1,5 м от почвы. где в первую очередь наблюдали разрушение массива, один — вертикально вверх по центру выработки в зону расслоения пород и один — по нормали к напластованию с западной стороны выработки на расстоянии

1,0 м по вертикали (два радиуса эффективного контроля трещиноватости из шпура) от контрольного шпура в западном боку квершлага. Так как в почве квершлага залегали прочные породы и выдавливание их не наблюдалось, то в почву контрольный шпур не бурили.

Контрольные шпуры бурили пневмосверлами диаметром 42 мм, длиной по 4 м, что составило 0,6 ширины выработки вчерне. Для проверки правильности выбора глубины контрольного шпура в боку выработки с

1Г

55 западной стороны на расстоянии 1,0 м от забоя и вь.соте от почвы 1,5 м был пробурен дополнительный контрольный шпур глубиной 5,5 м параллельно контрольному шпору длиной 4 м. Исследования показали, что трещиноватость пород не распространилась вглубь массива более чем H? 4 м.

Контроль массива горных пород осуществляли радиоволновым прибором . РВШ.

Для этого шпур тщательно очи.цали От буроВой 4?елочи, соединяли зонд с досылоч ной штачгой длиной 4 м, включа1H прибор и вводили зонд в шпур, продвигая его по всей длине шпура, снимали показания микроя?перметра ". определяли по шкале, нанесенной на досылочной штанге. расстояние от устья шпура до места нахождения трещины в породах. Измерения производили через

1,0 м подвигяния забоя квершлага. Этот параметр соответс.вовал величине заходки проходческого комбайна 4 ПП-5, равной 1,0 м и ш а гу уста вовкli металлической а роч ной

Kpt>ïè 0,5 м.

Анализ результатов контроля показал, что первые трещины в породе появились в западном боку выработки после того, кяк забой квершлага продвинулся от контрольных шпуров ня расстояние 5 м. при этом глубина зоны трегциновятости составила 2,5 м, высота зонь. трешииовятости — меHpp 2,5 м (в KoHTDo;Ib?!oм *i i i DÐ. ИробмoP«Hoм llo Нормали к напластовяи Г О с западной стороны, в первоначальный мо, е: т тре?циьы не были за фикси рова ны), что oîñòà вило примерно

20оо периметра квершлагя, т. е. меньше 50о „ его периметра. В этом случае экономически выгодно применить направленное упрочнение. Решили произвести упрочнение пород в зоне первоначального разрушения в западном боку квершлягя с помощью химичесКОГО анкеDDBB!i!iR. D oäÿ из пязмс ров пе вонячальчого разрушения выбрали параметры я i!epo?I: длина 32 v(Ha 07 — !0 м больше зоны разрушения пород вглубь массиваI и расстояние между анкерами 1 м.

В качестве анкеров применили стержни из арматурной стал«периодического профиля диаметром 22 — -32 мм. что соо-:ветствовяло диаметру шпуря 42 мм. Для прогонов <спользовали куски стальных швеллеров No 0 длиной 0,3 м. 1(1пуры под анкеры бурили ручными пневмосверл="ми, очищали от штыба и пыли, в них вводили анкеры со скрепляющим оставом HH один шпур 9 ампул) и вращали с помощью сверла в течение

10 с, проталкивая от забоя шпура, после чего стержень вря.цяли еще 20 — 30 с, Для предотвр:-ц?ения вь.тялкива ««я Iiз цпура стержень ряскреплял«в устье шпуря ?åðåвянным клином. Через !О- — !5 мин после установки анкера иа него надевали прогон и затягивали гайкой. В массиве анкер закреплялся llo всей длине шнура с помощью пенополиуретана. Таким сг:особом были упрочнены неустойчивые боковые поро:Jh! на участ1573188

Формула изобретения

Составитель С. Бачурин

Редактор Е. Папи Техред А. Кравчук Корректор В. Ги р ня к

Заказ 1629 Тираж 384 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат «Патентхч г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 ке, квершлага длиной 75 м. В результате проявления горного давления здесь резко снизились, крель квершлага не деформировалась и породный контур находился в устойчивом состоянии. После укрепления массива пробурили контрольные шпуры в упрочненную зону между двумя анкерами и параллельно им и определяли динамику трещиноватости упрочненного массива. Анализ результатов контроля показал, что на участке укрепления пород химическим анкерованием разрушений приконтурной породной зоны не происходило.

В контрольных шпурах продолжали измерения динамики трещиноватости по мере подвигания забоя. По материалам контроля установлено, что размеры зоны разрушений увеличивались до отхода забоя на расстояние 30 м, что составило 4, 5 ширины выработки вчерне.

Если бы производился контроль трещиноватости массива пород в момент их обнажения в забое выработки и не осуществлялось предупреждение развития разрушения пород путем направленного упрочнения их в забое выработки, то область разрушения составила бы более 50Я, как, например, в квершлаге на удалении контрольных шпуров от забоя на 30 м разрушение пород в кровле достигло до 4 м, в боках по всему контуру на глубину до 2,5 м. В этом случае направленное упрочнение не имело бы смысла, а необходимо было определить момент затухания развития трещиноватости пород по всему периметру и только после этого упрочнять разрушенные породы.

Момент затухания динамики трещиноватости определяется следующим образом.

По данным контроля строится график зависимости количества трещин на 1 м шпура от расстояния контрольных шпуров до забоя квершлага. Оказалось, что на участке в интервале 30 — 45 м интенсивность трещиноватости оставалась постоянной.

Таким образом, осуществлением способа была подтверждена правильность выбора параметров предлагаемого способа обеспечения устойчивости горной выработки.

Способ обеспечения устойчивости горных выработок, включающий проведение и крепление выработки, бурение по ее контуру шпуров для контроля состояния массива и упрочнение приконтурного массива, отличаюи4ийся тем, что, с целью уменьшения материальных и трудовых затрат, повышения безопасности работ, контрольные шпуры бурят на расстоянии 1 — 3 м от забоя глубиной не менее 0,6 ширины выработки вчерне, по ним проводят измерение интенсивности

2> трещиноватости пород через каждые 1,0—

1,5 м подвигания забоя на расстоянии от него 4 — 5 ширины выработки вчерне и определяют размеры области разрушения пород по периметру выработки, при этом при размере области разрушения менее 50о периЗО метра упрочнение приконтурного массива производят в пределах этой области, а в

IlpoTHBHoM случае устанавливают момент затухания разрушений, а затем производят упрочнение.