способ предотвращения горных ударов и повышения обрушаемости кровли

Формула изобретения

Способ предотвращения горных ударов и повышения обрушаемости кровли, включающий оконтуривание блоков пород щелями по замкнутому контуру, отличающийся тем, что блоки пород сооружают путем последовательного нарезания их щелями глубиной, равной половине нормального расстояния между очистными горизонтами и шириной не более высоты блока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к повышению безопасности ведения подземных горных работ на шахтах, опасных по горным ударам и с труднообрушаемой кровлей.

Ближайшим аналогом является способ управления деформированием подрабатываемого массива пород с целью устранения деформаций земной поверхности (а. с. N 372351 с приоритетом от 16.02.1971, автор Ю.И.Мартынов. Бюлл. N 13, опубл. 01.03.1973). Недостатком аналога является, согласно формуле изобретения, большая глубина щелей, а следовательно, высокая трудоемкость. Глубина щелей не зависит от деформаций земной поверхности. Известен способ управления кровлей (авт.св. СССР N 1453025 приоритет от 15.12.86, авторы: Чакветадзе Ф.А. Чакветадзе Р.А. Ерохин В.Л, Присташ В.В.). Суть его состоит в следующем. Из откачного и вентиляционного штреков под углом бурятся скважины, которые взрываются и нагнетается жидкость (мочевина), но лучше вода. В результате чего происходит интенсивное набухание вмещающих пород от 5 до 30% Это должно обеспечить по замыслу авторов конвергенцию почвы и кровли. Названное авторское свидетельство может служить ближайшим прототипом предполагаемого изобретения. Недостатки следующие:

1. Может быть использовано только во вмещающих породах, которые могут значительно набухать (глины, алевролиты, аргиллиты), в противном случае не будет никакого эффекта.

2. На мощных пластах это не дает эффекта, не могут же породы дать увеличение мощности на несколько метров, чтобы обеспечить конвергенцию почвы и кровли.

3. Исключает использование его при работе по падению, так как вода будет двигаться за забоем и вызовет подтопление очистных работ.

4. Поскольку 60-70% угольных месторождений обводнены и процесс пучения пород прошел, то дополнительное увлажнение не дает необходимого эффекта.

5. Этот способ управления кровлей требует время для "замачивания" вмещающих пород, что не всегда возможно при обработке системами с обрушением и непрерывном горнодобычном процессе.

Диапазон использования этого способа весьма узок. Нами предлагается другой способ, свободный от названных недостатков и более эффективный.

Целью изобретения является повышение безопасности ведения подземных горных работ на шахтах, опасных по горным ударам и труднообрушаемой кровлей. Поставленная цель достигается тем, что заблаговременно по ходу следования очистных работ на верхнем горизонте, для снижения опасности горных ударов и повышения обрушаемости кровли, сооружается последовательность монолитных блоков, оконтуренных щелями, под которыми создается усиленное концентрированное наведенное энергетическое поле, равное энергии разрушения в оконтуренном блоке пород и реализуемое в дополнительном трещинообразовании под блоками с параметрами: высотой h, равной не менее половины нормального расстояния между очистными горизонтами и шириной l, равной или менее высоты блока.

Выявленные отличительные признаки не обнаружены в известных решениях, следовательно, предлагаемое решение отвечает критерию "существенные отличия".

Предлагаемое изобретение реализуется следующим образом. На участке, опасном по горным ударам или с труднообрушаемой кровлей, нарезаются блоки пород таким образом, чтобы щели одного служили щелями другого, как это показано на фиг. 1. Технология сооружения щелей буровзрывным способом широко известна и подробно изложена (Ю.И.Мартынов "Управление деформированием подрабатываемого массива горных пород глубокими щелями". М. Недра, 1995, с. 116, ил.). Сооружения щелей путем бурения скважин без обсадки и выхода керна осуществляются с верхнего горизонта на нижний (фиг. 2). Для этого используется вентиляционные и откаточные штреки, пространство лавы или специально проводимые по углю сбойки малого сечения. В результате создания монолитного блока (при hl) выделилась бы энергия Э при продвижении трещины, если бы оно не сопровождалось затратами на пластические деформации в вершине и разрыв связей в материале, т.е.

Э = A-u,

где A энергия, идущая на продвижение трещины;

u высвобождаемая энергия в границах блока пород.

Энергия, идущая на сооружение щелей, может быть легко определена непосредственным путем (по энергозатратам на бурение скважин, расходу ВВ и его работоспособности), или согласно решению Инглиса с использованием теории Гриффитса, изменение энергии в пластине единичной толщины равно (В.З. Партон, Е.М.Морозов. "Механика упругопластического разрушения", М. "Наука", 1985, с. 32). Равновесное состояние трещины наступает при A = u. В нашем случае силы, работающие на создание щелей, выступают как внешние силы относительно упругопластических деформаций высвобождаемой энергии, заключенной в объеме блока пород. Показано, что если тело находится в равновесии, то приращение работы внешних сил равно приращению работы деформации (С.Д. Демидов. "Теория упругости", М. "Высшая школа", 1979, с. 52).

Итак

,

где

h глубина щелей,

- напряжение растяжения, создаваемое при растяжении,

dl- приращение трещин в блоке пород в пространстве,

E модуль линейной упругости.

Поскольку блок пород не разрушается и только слабо деформируется (Пат. N 1656129 СССР, E21D5/00. Способ управления деформированием подрабатываемого массива; Ю. И. Мартынов (СССР), N 421010/03; Заявление 18.08.87. Опубл. 15.01.91 Бюл. N 22), то энергия, предназначенная для разрушения блока пород, пойдет на разрушение пород под блоком, где согласно принципу суперпозиции на имеющееся энергетическое поле накладывается энергетическое поле, заключенное в границах S блока пород (фиг. 2). Поскольку протяженность трещин эквивалентна энергии трещинообразования, то суммарная протяженность трещин (щелей), оконтуривающих блок, в плоской задаче она равна 2h, должна быть равной суммарной протяженности трещин, полученных в результате дополнительного энергетического поля, наведенных монолитным, слабо деформируемым, блоком пород. Покажем это экспериментально (см. таблицу).

Таким образом, чем больший объем пород оконтурировается щелями, тем больше энергии идет под блок и мельче дробится порода.

Использование этого способа борьбы с горным давлением отличается меньшей трудоемкостью (в 2 раза), а по эффективности он эквивалентен способу, если бы щели разрезали всю толщу с верхнего горизонта до очистного.