Способ крепления остроугольных сопряжений горных выработок

Изобретение относится к горному делу и строительству подземных сооружений, а именно к способу крепления остроугольных сопряжений горных выработок. Техническим результатом является предварительное упрочнение остроугольного целика между разветвляющимися горными выработками, снижение опасности горнопроходческих работ. Способ крепления анкерами остроугольного сопряжения горизонтальных и наклонных горных выработок включает: их крепление по периметру рядовыми анкерами в процессе проходки, установку сквозных горизонтальных анкеров из коренной в примыкающую выработку с отставанием от забоя последней, установку глубинных анкеров в клиновидный целик между выработками в зоне их существенного взаимного влияния из коренной выработки в сторону примыкающей до начала проходки примыкающей выработки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к горному делу и строительству подземных сооружений в сфере крепления горных выработок и может быть использовано для обеспечения устойчивости коренной и примыкающей выработок в процессе их проведения в зоне остроугольной части сопряжения.

В данном случае сопряжение целесообразно разделить на две зоны:

1 - зона расширения коренной выработки (участок L_B, фиг.1);

2 - зона расхождения сопрягающихся выработок (участок L_C, фиг.1).

Предлагаемое изобретение относится ко второй зоне.

Известен способ крепления сопряжений горных выработок металлической крепью арочной, трапециевидной или круглой форм поперечного сечения, сущность которого заключается в установке рам крепи по мере проведения сопряжения выработок [Каратников В.Н., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. - М.: Недра, 1989, с.107-111].

Недостатки этого способа заключаются в том, что в нем не используется несущая способность массива пород вокруг выработок, особенно в остроугольной части сопряжения. Кроме того, такой способ крепления очень материалоемкий и трудоемкий. Рамную крепь возводят с отставанием от забоя, вследствие чего при проходке выработок, особенно в зоне их взаимного влияния, часто происходят вывалы пород, сопровождающиеся травматизмом.

Известен способ крепления сопряжений выработок [Широков А.П., Писляков Б.Г. Расчет и выбор крепи сопряжений горных выработок. - М.: Недра, 1978] анкерной крепью в сочетании с металлической рамной крепью, сущность которого состоит в том, что по мере проведения коренной и примыкающей выработок возводят анкерную крепь, а в промежутках между анкерами устанавливают металлические рамы. После закрепления сопряжения анкерной крепью в его остроугольной части возводят опору (бык) из бетона или металлических стоек. На него опирают верхняки рам сопрягающихся выработок.

Недостатки этого способа заключаются в том, что анкерная и рамная крепи имеют различные прочностные и деформационные характеристики и возводятся в разное время, вследствие чего они неравномерно воспринимают горное давление. К тому же, рамная крепь трудоемка в возведении.

Известен способ крепления сопряжений горных выработок [Патент: «Способ крепления сопряжений горных выработок», RU 2116454 (кл. E21D 11/36, 1998). Авторы: Штумпф Г.Г., Ануфриев В.Е., Гараев Ю.Д., Катаев З.М.], принимаемый за прототип, согласно которому во время возведения коренной и примыкающей выработок их кровлю и бока крепят анкерами первого уровня, а затем с отставанием на 20-30 м анкерами второго уровня, а остроугольную часть целика закрепляют сквозными анкерами при проведении примыкающей выработки.

Недостатки этого способа крепления сопряжений заключаются в том, что, во-первых, сквозные анкера в остроугольном породном целике устанавливают с отставанием от забоя примыкающей выработки, вследствие чего этот целик может быть разрушен в зоне активного взаимного влияния сопрягаемых выработок до установки и ввода в работу сквозных анкеров. Во-вторых, плотность расстановки и несущая способность этих анкеров принимаются вне зависимости от их удаленности от бетонной опоры (быка), степени его напряженности и размеров (протяженности) зоны существенного взаимного влияния выработок. Вследствие этого затраты и трудоемкость возведения сквозных анкеров неоправданно завышаются.

Техническим результатом предлагаемого способа является предварительное упрочнение остроугольного целика между разветвляющимися горными выработками с целью предотвращения его разрушения, и, как следствие, снижение опасности горнопроходческих работ.

Технический результат достигается тем, что установку глубинных анкеров в клиновидный целик между выработками в зоне их существенного взаимного влияния выполняют из коренной выработки в сторону примыкающей до начала проходки последней.

Также, технический результат достигается тем, что зону существенного взаимного влияния выработок разделяют на несколько участков и для каждого из них принимают (по расчету или по опыту) величины несущей способности и плотности расстановки анкеров с учетом постепенного снижения величины коэффициента k₂ (см. ниже).

Также, технический результат может быть достигнут применением стеклопластиковых армирующих стержней для глубоких анкеров.

Целью изобретения является обеспечение устойчивости коренной и примыкающей выработок в процессе их проведения в зоне остроугольной части сопряжения путем предварительного упрочнения глубокими анкерами целика между выработками.

Установка глубинных анкеров в клиновидный целик между выработками в зоне их существенного взаимного влияния выполняется из первичной выработки в сторону вторичной выработки до начала проходки последней. Это обеспечивает предварительное упрочнение массива пород в остроугольном целике и повышение устойчивости сопрягающихся выработок, что особенно важно при проходке примыкающей выработки, когда происходит перераспределение напряжений в массиве пород вокруг сопрягающихся выработок. Повышение устойчивости приводит к повышению безопасности горнопроходческих работ.

Применение в качестве глубинных анкеров стеклопластиковых арматурных стержней позволит повысить долговечность анкерной крепи, так как стеклопластиковая арматура обладает лучшей коррозионной стойкостью к агрессивному химическому воздействию поземных вод.

Также, стеклопластиковая арматура обладает большей прочностью на растяжение по сравнению со стальной арматурой периодического профиля класса A-III. Вместе с тем, стеклопластиковая арматура имеет меньшую прочность на срез по сравнению со стальной арматурой, благодаря чему концы арматурных стеклопластиковых стержней, попавших в сечение примыкающей выработки, могут легко срезаться или отламываться исполнительным органом проходческой машины или зарядами ВВ в процессе проходки.

Для обоснования величины зоны существенного взаимного влияния сопрягающихся выработок воспользуемся следующими зависимостями.

1) Для оценки уровня напряженности массива пород у контура выработки и в остроугольном целике между ними авторами предлагается использовать критерий напряженности [Технология, механизация и организация проведения горных выработок. Б.В. Бокий, Е.А. Зимина, В.В.Смирняков, О.В.Тимофеев. Учебник для ВУЗов, 3-е изд. М.: Недра, 1983, 254 с.]:

где σ - напряжения нетронутого массива в зоне расположения проектируемой выработки, МПа;

k₁ - коэффициент концентрации напряжений у контура проходимой выработки;

k₂ - коэффициент концентрации напряжений от влияния других выработок;

R_c - предел прочности породы в образце, МПа;

k_с - коэффициент структурного ослабления пород в массиве за счет слоистости и трещиноватости;

ξ - коэффициент длительной прочности;

k_у - коэффициент упрочнения пород в массиве вследствие его анкерования.

По величине П_в оценивают первоначальную степень устойчивости пород без анкерования (k_у=1) и условно выделяют 4 категории: П_в<1,0 - устойчивое состояние; П_в=1,0-1,3 - предельное; П_в=1,3-3,0 - неустойчивое; П_в>3,0 - очень неустойчивое. При проектировании следует обеспечивать устойчивое или предельное состояние за счет упрочнения массива анкерованием (k_у=1,0-2,0), придания выработке рациональной формы сечения (сводчатой, эллипсовидной, круговой), применением прочных поддерживающих крепей и быстрым вводом их в работу.

При одностороннем сопряжении выработок допустимо принимать k₂=1,4 согласно [СниП II-94-80. Подземные горные выработки] в центре сопряжения. По мере удаления от него величина k₂ приближается к единице.

2) Предлагаемый способ крепления сопряжений выработок включает также оценку протяженности зоны существенного их взаимного влияния и разделения этой зоны на 3-4 участка для экономного выбора несущей способности и плотности расстановки анкеров по мере удаления от центра сопряжения (точка А).

Максимальная зона существенного влияния выработок L_D (протяженная относительно центра сопряжения в точке A на фиг.1) определяется по формуле [Инструкция по креплению полевых горизонтальных и наклонных выработок шахт СУБРа. ОАО «Севуралбокситруда» и СПГГИ(ТУ). С.-Петербург, 1996, 57 с.]:

где B₁ и B₂ - ширина вчерне коренной и примыкающей выработок соответственно, м;

k_L - коэффициент учета прочности пород в массиве, глубины заложения выработки и ее ориентировки относительно направления простирания пород;

Ψ - угол остроугольной части целика относительно точки А (между ближними стенами выработок), град.

Зону существенного взаимного влияния сопрягающихся выработок разделяют на несколько участков и для каждого из них принимают (по расчету или по опыту) величины несущей способности и плотности расстановки анкеров с учетом постепенного снижения величины коэффициента k₂.

Схематично предлагаемый способ крепления изображен на чертежах.

На фиг.1 цифрами отмечены:

1-4 - зоны коренной выработки;

1^/-4^/ - зоны примыкающей выработки;

5-7 - зоны сопряжения, относящиеся к коренной выработке;

5^/-7^/ - зоны сопряжения, относящиеся к примыкающей выработке;

8 - ось коренной выработки;

9 - бетонный «утюг»;

10 - ось примыкающей выработки;

11 - глубокий анкер остроугольного целика;

12 - биссектриса сопряжения.

На фиг.2 цифрами отмечены:

1 - анкер первого уровня;

2 - анкер второго уровня.

На фиг.3 цифрами отмечены:

1 - глубокий анкер остроугольного целика.

Предлагаемый способ крепления анкерами остроугольного сопряжения горизонтальных выработок включает в себя следующие этапы выполнения работ.

Этап 1. Коренную выработку на участке L_B (см. фиг.1) проходят и закрепляют рядовыми анкерами (первого уровня) с планомерным увеличением ширины и высоты выработки до максимального размера (сечение B-B на фиг.1 и 2), при этом плотность расстановки анкеров также планомерно возрастает.

Этап 2. В центральной зоне сопряжения (зона точки А) устанавливают группу глубинных анкеров второго уровня) в кровле для повышения ее устойчивости.

Этап 3. На участке B-C коренной выработки упрочняют анкерами утюгообразную в плане зону массива B-C-C'-B', а при трещиноватых породах сооружают бетонную или железобетонную опору ("бык").

Этап 4. На участке CD из коренной выработки (до начала проходки примыкающей) выполняют предварительное упрочнение глубокими анкерами 3 (фиг.3) участка массива (остроугольный целик) между сопрягаемыми выработками в зоне их существенного взаимного влияния (фиг.1, 2, 3). При этом плотность расстановки глубоких анкеров (ГАЦ) планомерно уменьшают от точки C к точке D, а длину увеличивают с учетом положения в плане примыкающей выработки.

Этап 5. Проходку и крепление рядовыми анкерами примыкающей выработки выполняют после приобретения анкерами в разделительном целике и «утюге» постоянной прочности закрепления анкеров.

1. Способ крепления анкерами остроугольного сопряжения горизонтальных и наклонных выработок, включающий их крепление по периметру рядовыми анкерами в процессе проходки и установку сквозных горизонтальных анкеров из коренной в примыкающую выработку с отставанием от забоя последней, отличающийся тем, что устанавливают глубинные анкера в клиновидный целик между выработками в зоне их существенного взаимного влияния из коренной выработки в сторону примыкающей до начала проходки примыкающей выработки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что протяженность зоны существенного взаимного влияния выработок определяют по формуле

где B₁ и В₂ - ширина вчерне коренной и примыкающей выработок соответственно, м;
k_L - коэффициент учета прочности пород в массиве, глубины заложения выработки и ее ориентировки относительно направления простирания пород;
ψ - угол остроугольной части целика относительно точки А между ближними стенами выработок, град.,
а зону существенного взаимного влияния сопрягающихся выработок разделяют на несколько участков и для каждого из них принимают (по расчету или по опыту) величины несущей способности и плотности расстановки анкеров.