Способ управления напряженным состоянием пород вокруг выработки

 

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

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5ц5 Е 21 С 41/16

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ в

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4723756/03 (22) 26.07.89 (46) 23.11.92, Бюл. ¹ 43 (71) Киевский политехнический институт им.

50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) А,А.Пирский, С.Н.Стовпник, Г.Ф,Лосев и В,С,Мартюшев (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1446310, кл. Е 21 С 41/16, 1984.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1263868, кл. Е 21 С 39/00, 1983, (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННЫМ СОСТОЯНИЕМ ПОРОД ВОКРУГ ВЫРАБОТКИ (57) 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 (НГ1) 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 N- 1268738, кл. Е 21 Р 13/02, Б. ¹ 41 от 7.11.1986), включающий проведение горных выработок в плоскости максимальных напряжений горного давления и разрушение целика между выработками.

„„5U 1776792 А1 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 1 = Ка „,„а/2, где а — размер малой полуоси эллипсоида полости; К а m максимальный коэффициент анизотропии пород, К а may — 8 с /8 р., R%

3. — предел прочности пород на сжатие перпендикулярно НП; R р — предел прочности

Н пород на растяжение параллельно НП. После этого бурят круговые веера С и производят их камуфлетное взрывание, причем расстояние между концами С и между вее. рами определяют, исходя из соприкосновения образуемых камуфлетных полостей, что обеспечивает образование единой замкнутой разгрузочной полости. 1 ил. 4 О

Недостатками этого способа являются действие максимальных напряжений на контуре охраняемых выработок и увеличенные затраты на проведение и поддержание а двух выработок. 1

Известен способ охраны горной выработки (см.авт.св. СССР ¹1446310, кл. Е 21

С 41/06, Б. № 47 от 23.12.1986г.), включающий искуственное формирование свода естественного равновесия эа счет образования устойчивого контура ненарушенных пород при взрывании ВВ в шпурах

1776792 и последующего упрочнения нарушенной толщи.

Недостатком этого способа является динамическое нагружение крепи при БВР, формирование свода равновесия без учета анизотропии пород, образование незамкнутого 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 получен ному эффекту является способ управления напряженным состоянием пород вокруг горной выработки (см.авт.св.

СССР М 1263868, кл. Е 21 0 11/00, Е 21. С

39(00, Б. М 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 ненарушенных 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 камуфлетные заряды ВВ.

В отличие от прототипа, 8 данном тех ническом решении взрыванием BB в скважинах формируют замкнутую зону разгруженных пород в виДе устойчивого контура ненарушенных пород эллипсоидной формы в сечении, размер малой полуоси зллипсоида равен глубине разрушения пород в плоскости напластования, а большая полуось определяется

L-Êamax, а/2, где а — малая полуось эллипсоида;

K в max — максимальный коэффициент анизотропии пород К e max - R с И р

Л. II

Гг-., R p — пределы прочности на сжатие

II 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 преобразовывает форму сечения выработки из арочной, близкой к круглой равнорадиусной, в эллиптическую, что позволяет изменить распределение тангенциальных напряжений вокруг выработки для изотропных пород.

Горные породы преимущественно представленны слоистыми, а следовательно, анизотропными породами, свойства которых зависят от направления действия напряжений, Поэтому локализация разрушения пород от напряжений, предусмотренная в прототипе, будет зависеть от свойств данных пород в рассматриваемом направлении, В прототипе отсутствует причинно-следственная связь между свойствами пород, формой создаваемой области и результирующей эпюрой распределения напряжений, поэтому отсутствует сущность процесса управления, т.е, целенаправленное изменение исходных данных.

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

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

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

Условием устойчивого положения контура

1776792

10

Kamax =Rс lй р .1

15 является уравновешивание неустойчивого состояния массива, возникающего вследствие образования полости горной выработки для распределения напряжений горного давления в гидростатическом поле напряжений. 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 затухающим и массив приходит в равновесное состояние при образовании контура ненарушенных пород,по форме сечения близкого к эллипсу. Условием устойчивого положения замкнутого контура ненарушенных 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) безразмерность этих показателей будет являться условием их взаимной связи . Для эллипсовидной области характерными параметрами являются длины,"иаганалей а и b соотношение которых безразмерно, для свойств пород — коэффициент аниэотропии

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, М

12, с.23 — 27).

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

Разрушение пород вокруг выработки происходит под действием растягивающих напряжений (в направлении перпендикулярна напластованию) и сжимающих напряжений (в плоскости напластования) (см.Литвинский Г.Г. Механизм получения пород почвы подготовительных выработок. — Уголь, 1987, М 2, c,15 — 17). Основными характеристиками, определяющими процесс разрушения вокруг выработки, являются пределы прочности пород в зависимости от их расположения вокруг выработки. Для

55 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 слаистости R <, для пород кровли и почвы—

1 предел прочности на растяжение параллельно слоистости R р . Таким образом кои зффициент анизатропии определяется:

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 анизотрапии пород. По результатам лабораторных испытаний пород Западного Донбасса К> для аргиллитов равен 1,8, для алевралитав — 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 анизатрапии пород определяется длина большой диагонали создаваемой эллипсовидной области. Причем. ь отличие от прототипа, в заявляемом решении можно корректировать положение контура ненарушенных пород в зависимости ат изменений напряженного состояния (например под действием горных работ), контролируя глубину разрушения пород в боках и изменяя размеры эоны вокруг выработки, т.е, осуществлять процесс управления напряженным состоянием пород вокруг выработки.

По прототипу зона разрушения от камуфлетных вэрываний создается по аси действия максимальных сжимающих напряжений горного давления, Податливость зоны с размерами не более двух радиусов дробления (1...3 м) исчерпывается эа срок менее периода службы выработки и после этого усиление горного давления происходит на контуре охраняемой выработки, чта приводит к разрушениял1 и смещениям пород контура, В заявляемом решении обеспечивается устойчивость контура ненарушенных пород как от растягивающих, так и от сжимающих напряжений, что обесг1ечиваст полдержа1776792

30

45 е

55 ние 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 укаэанным 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 эоны разрушения в плоскости напластования и анизотропии пород, а затем определяется глубина и угол наклона скважины 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 ВВ 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, азона разрушения пород в плоскости чапластования (малая диагональ), b - -диагональ перпендикулярно найластовайию.

Способ управления напряженным co- 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 повышенного горного давления от опорного целика надработанной лавы станком БГА-4М производили бурение скважин ег 300 мм в боках выработки на глубину 5 м и при помощи 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 (малая 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 растя1776792

10 жении — 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 5 каждом веере 6 скважин (2 вертикальных и

4 диагональных). Наклонные диагональные скважины длиной 12,5 м бурилиег300 мм и не заряжали ВВ, вертикальные скважины бурили длиной 22 м диаметром 120 мм. Рав- 10 номерно по длине вертикальных скважин через 1,5...2,5 м (к вершине скважины чаще) распологали заряды BB (0,6 кг аммонита

Т-19),закрепление их в месте расположения производили при помощи деревянных репе- 15 ров, сдвигаемых по срезу и расклиниваемых в скважине сверху вниз (для восходящих) и снизу вверх(для нисходящих). С замедлением взрывались более глубоко расположенные заряды .8В. 20

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 25 . боках, использование, податливости разрушенных пород вокруг выработки для сохранения сечения охраняемой выработки.

Экономический эффект заявляемого способа заключается в снижении затрат на 30 поддержание выработки в 2,0...2,5 раза.

Формула изобретения

Способ управления напряженным состоянием пород вокруг выработки, включа- 35 ющий 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.

1- - К 8 тах а/2, где а — размер малой оси эллипсоида разгрузочной полости (глубина эоны разрушения пород окружающего выработку массива в плоскости их напластования);

К а max — максимальный коэффициент анизотропии пород К a max = К c /R р .

R с — предел прочности пород при сжа1 тии перпендикулярно напластованию. МПа;

R р — предел прочности пород при расП тяжении параллельно напластованию, МПа, 1776792

Составитель С.Стовпник

Редактор M,Кузнецова Техред М.Моргентал Корректор П,Гереши

Заказ 4106 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