Способ охраны горных выработок с помощью податливой системы породного массива

 

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано для охраны горных выработок в условиях повышенного горного давления. Сущность изобретения заключается в том, что в породном массиве на всю мощность пласта проводят компенсационные полости, выполненные на определенном расстоянии от охраняемой выработки с оставлением целиков полезного ископаемого между выработкой и компенсационными полостями, причем компенсационную полость проходят в массиве предварительно до подхода очистных работ и размещают между охраняемой выработкой и очистным пространством на расстоянии, равном расчетному до максимума опорного давления от границы очистного пространства, а охраняемую выработку располагают на удалении двух этих расстояний от границы очистного пространства. Изобретение позволяет обеспечить устойчивость охраняемой выработки в условиях повышенного горного давления при значительном сокращении потерь полезного ископаемого в недрах. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано для охраны горных выработок в условиях повышенного горного давления.

Известны способы охраны горных выработок в условиях повышенного горного давления от влияния очистных работ с помощью целиков определенных размеров (см. , например, "Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР", Л., ВНИМИ, 1986, стр. 39-40).

Особенностью такого способа является охрана выработок неразрушаемыми целиками с размерами до 150 м. Размеры целиков зависят от интенсивности проявлений горного давления, а на удароопасных месторождениях эти величины еще и строго регламентированы. Оставление целиков полезного ископаемого больших размеров влечет за собой потери его в недрах и не является прогрессивным решением.

Известны способы охраны горных выработок путем расположения их в зонах с пониженным уровнем напряжений в массиве (см., например, авторское свидетельство СССР 1180503, Е 21 С 41/04, 1985г.; авторское свидетельство СССР 1506126, Е 21 D 9/00, Е 21 D 11/00, 1989г.). Однако эти способы распространяются не на весь диапазон горно-геологических условий и имеют ограниченную область применения, поскольку требуют наличия в кровле полезного ископаемого труднообрушаемых слоев пород или размещения поддерживаемых выработок в слабых вмещающих породах. Кроме того, при использовании таких способов требуются дополнительные трудовые и материальные затраты на поддержание охранной системы в рабочем состоянии на весь срок эксплуатации охраняемой выработки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ охраны горных выработок с помощью компенсационной системы, включающей компенсационные полости (вспомогательные выработки), выполненные в пласте по бокам охраняемой выработки, целики полезного ископаемого, размещенные по обеим сторонам выработки между нею и компенсационными полостями, и анкерную крепь для упрочнения целиков (см. авторское свидетельство СССР 1495437, Е 21 D 11/00, 13/02, 1989 г.). При осуществлении этого способа компенсационные полости выполняют в породном массиве на всю мощность пласта, чередуя с целиками заданных размеров, а необходимую деформацию целиков регулируют натяжением или ослаблением анкеров с замками распорного типа, расположенными за средней линией целиков.

Недостатком такой системы является ограниченность области ее применения - она может использоваться только при поддержании выработок в массиве при наличии в их почве слабых пород, склонных к пучению, и в условиях отсутствия воздействия на выработки повышенного поля напряжений от очистных работ. Кроме того, для нормальной эксплуатации этой системы требуется постоянный контроль за анкерной крепью, упрочняющей целик в боках выработки, что не всегда можно оперативно осуществить из-за сложности получения достоверной информации о степени деформирования целиков на конкретный период времени.

Изобретение решает задачу расширения области применения способа за счет обеспечения устойчивости охраняемой выработки в условиях повышенного горного давления при значительном сокращении потерь полезного ископаемого в недрах.

Для решения этой задачи согласно способу охраны горных выработок, включающему проведение в породном массиве на всю мощность пласта компенсационных полостей, выполненных на расстоянии от охраняемой выработки с оставлением целиков полезного ископаемого между выработкой и компенсационными полостями, компенсационную полость проходят в массиве предварительно до подхода очистных работ и размещают между охраняемой выработкой и очистным пространством на расстоянии, равном расчетному до максимума опорного давления от границы очистного пространства, а охраняемую выработку располагают на удалении двух этих расстояний от границы очистного пространства. При этом охраняемую выработку и компенсационную полость располагают параллельно границе очистного пространства. На период проведения компенсационной полости ее закрепляют крепью, обеспечивающей ее поддержание только на это время.

На удароопасных пластах между охраняемой выработкой и очистным пространством выполняют дополнительные компенсационные полости с разделением целика породного массива на части, не обладающие способностью накапливать энергию для внезапного их разрушения.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показано в плане расположение охраняемой выработки и компенсационных полостей по отношению к очистному пространству; на фиг.2 - поперечное сечение горной выработки (разрез по 1-1) и эпюра распределения напряжений в массиве.

На чертежах обозначены: 1 - охраняемая выработка; 2 - компенсационная полость; 3 - очистное (выработанное) пространство; 4 - целик, отделяющий охраняемую выработку от компенсационной полости; 5 - целик, отделяющий компенсационную полость от очистного пространства; 6 - дополнительная компенсационная полость; 7 - погашаемая выемочная выработка.

Податливая система породного массива для охраны горной выработки 1 включает компенсационную полость 2, расположенную параллельно охраняемой выработке 1 и очистному пространству 3 на расстоянии, равном расчетному до максимума опорного давления L_max от очистного пространства, целик 4, отделяющий охраняемую выработку 1 от компенсационной полости 2, ширина которого примерно равна расстоянию L_max, и целик 5, отделяющий компенсационную полость 2 от очистного пространства 3, шириной, также примерно равной L_maх. То есть охраняемая выработка при этом оказывается на расстоянии приблизительно 2L_max от границы очистного пространства. При отработке пластов полезных ископаемых, склонных к динамическим формам проявлений горного давления (горные удары, внезапные выбросы угля и газа, динамические разломы почвы и др.), в целике 5 могут быть выполнены дополнительные компенсационные полости 6, разделяющие его на части, не обладающие способностью накапливать энергию для внезапного их разрушения.

Компенсационные полости 2 и 6 представляют собой выработки, пройденные по пласту полезного ископаемого обычно на всю его мощность и закрепленные крепью, обеспечивающей их поддержание только на период проведения. Доступ людей в эти выработки после их проведения запрещен. Компенсационные полости 2 и 6 выполняются предварительно до подхода очистных работ и формирования очистного пространства 3 с границей у массива, совмещенной с погашаемой выемочной выработкой 7.

Размеры каждого из целиков 4 и 5 приняты примерно равными L_max, чтобы при формировании очистного пространства 3 с границей, погашаемой выемочной выработкой 7, они перешли в запредельное состояние, обеспечивая при этом податливость горного массива между выработанным пространством и охраняемой выработкой 1.

Расстояние до максимума опорного давления L_max от очистного пространства при выемке полезного ископаемого зависит, в основном, от глубины разработки, прочности и мощности пласта, размеров и геометрии очистного пространства, состава и свойств пород кровли и почвы пласта и может изменяться от единиц до десятков метров.

Способ охраны горных выработок с помощью податливой системы породного массива осуществляют следующим образом.

При проведении охраняемой горной выработки 1 (например, магистрального штрека, бремсберга, уклона, главной транспортной и вентиляционной выработки и др., располагаемых у границ отрабатываемых участков, блоков, шахтных полей) ее месторасположение определяют расчетным путем на расстоянии, примерно равном удвоенному расстоянию до максимума опорного давления от предполагаемой границы очистного пространства 3, т.е. 2L_max. Существующие в нормативах методы получения этого параметра позволяют предварительно его рассчитывать с достаточной для практики точностью. В нормативах также определены и допустимые размеры целиков при отработке полезных ископаемых, склонных к динамическим формам проявлений горного давления.

Затем на расстоянии L_max, т.е. в плоскости максимального опорного давления горных пород, параллельно охраняемой выработке 1 проходят компенсационную выработку (компенсационную полость) 2. В сложных горно-геологических условиях (на удароопасных пластах) между охраняемой выработкой 1 и очистным пространством 3 выполняют дополнительные компенсационные полости 6 с разделением целика 5 породного массива на части, не обладающие способностью накапливать энергию для внезапного их разрушения.

С течением времени после проведения выработки и до подхода очистных работ горные породы вокруг компенсационных полостей 2 и 6 несколько деформируются, поскольку их крепь была рассчитана только на период их проведения. В этой связи увеличивается ширина полостей за счет роста зон неупругих деформаций вокруг них, а это ведет к снижению несущей способности целиков 4 и 5. При подходе очистных работ и формировании очистного пространства с границей у массива, проходящей по погашаемой выемочной выработке 7, опорное давление, воздействуя на целики 5 и 4, деформирует их, и пласт полезного ископаемого испытывает необратимые деформации. Находясь в зоне повышенных напряжений, целик 5 деформируется в большей степени, чем целик 4, и быстрее переходит в запредельное состояние.

Компенсационная полость 2 со сформировавшейся вокруг нее зоной неупругих деформаций, расположенная в зоне расчетного максимума опорного давления от очистного пространства 3, не позволяет формироваться области максимальных напряжений вследствие своей податливости и благодаря этому способствует снятию повышенных напряжений в целике 4 и перераспределению их на большую площадь в массиве впереди очистного пространства 3 с общим снижением концентрации напряжений, включая и охраняемую выработку 1. На фиг.2 показано распределение напряжений в целиках 4 и 5, у выработки 1 и в полости 2 (Н - глубина от поверхности, γ - объемный вес пород, К₁, К₂, К₃ - коэффициенты концентрации напряжений). Понижение напряжений K₁γH и K₂γH в целиках 4 и 5 создает благоприятные условия для поддержания охраняемой выработки 1 за счет перехода полезного ископаемого в пласте в запредельное состояние и его работе в податливом режиме. Повышенные же напряжения смещаются за пределы выработки 1 в сторону массива с уменьшением их максимальных величин. Пунктиром на эпюре для сравнения показана огибающая распределения напряжений без выполнения компенсационных полостей.

При отработке пластов полезного ископаемого, склонных к динамическим формам проявлений горного давления, целик 5, разделенный на допустимые размеры дополнительными компенсационными полостями 6, при формировании опорного давления у границы с массивом быстрее перейдет в податливый режим работы и в целом интенсивнее повлияет на переход пласта в целике 5 в запредельное состояние. Благодаря этому образуется податливая система породного массива для охраны горных выработок.

Использование заявляемого способа охраны горных выработок по сравнению с известными позволяет значительно сократить потери полезного ископаемого в недрах за счет уменьшения размеров охранных целиков. Кроме того, изобретение дает возможность расширить область применения благодаря возможности его использования в зонах повышенного горного давления, улучшить условия поддержания выработок за счет переноса повышенного поля напряжений вглубь массива и снижения их максимальных величин.

Выполнение дополнительных компенсационных полостей позволяет безопасно поддерживать выработки при отработке пластов полезных ископаемых, склонных к динамическим формам проявлений горного давления.

Формула изобретения

1. Способ охраны горных выработок с помощью податливой системы породного массива, включающий проведение в породном массиве на всю мощность пласта компенсационных полостей, выполненных на расстоянии от охраняемой выработки с оставлением целиков полезного ископаемого между выработкой и компенсационными полостями, отличающийся тем, что компенсационную полость проходят в массиве предварительно до подхода очистных работ и размещают между охраняемой выработкой и очистным пространством на расстоянии, равном расчетному до максимума опорного давления от границы очистного пространства, а охраняемую выработку располагают на удалении двух этих расстояний от границы очистного пространства.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что охраняемую выработку и компенсационную полость располагают параллельно границе очистного пространства.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что компенсационную полость закрепляют крепью, обеспечивающей ее поддержание только на период ее проведения.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на удароопасных пластах между охраняемой выработкой и очистным пространством выполняют дополнительные компенсационные полости с разделением целика породного массива на части, не обладающие способностью накапливать энергию для внезапного их разрушения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2