способ восстановления и крепления горных выработок вблизи земной поверхности при завале вмещающими породами

Формула изобретения

СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ВБЛИЗИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЗАВАЛЕ ВМЕЩАЮЩИМИ ПОРОДАМИ, включающий заполнение пустот вывала заполняющими и связующим материалами, образование искусственной кровли и последующую проходку выработки, отличающийся тем, что, с целью снижения затрат на восстановление и последующее поддержание выработок и повышения безопасности, предварительно по контуру зоны вывала с земной поверхности зависающий массив пород обуривают скважинами под углом, равным углу сдвижения зависающих пород над вывалом, заряжают их взрывчатым веществом и производят разрыхление и обрушение зависающих пород в границах сдвижения, затем заполняющие материалы засыпают в образующуюся воронку, уплотняют его и обуривают породы скважинами в пределах вывала с земной поверхности, которые обсаживают перфорированными в нижней части трубами, и нагнетают раствор твердеющей смеси для упрочнения пород от почвы выработки до уровня искусственной кровли.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам восстановления и крепления горных выработок при завале их вмещающими породами.

Способ предназначен для восстановления и крепления горизонтальных и наклонных выработок - квершлагов, полевых и пластовых штреков, бремсбергов, уклонов и других выработок, пройденных вблизи земной поверхности, при произвольном обрушении больших объемов пород, разрушении крепи и завале их. Удельный вес этих выработок довольно большой при отработке полезных ископаемых верхнего горизонта вблизи земной поверхности. Наиболее часто происходят частичные и полные завалы выработок вблизи земной поверхности при отработке угольных пластов в зонах выходов их под наносы. Иногда обрушения пород развиваются на высоту 25-30 м вплоть до земной поверхности (шахты "Распадская", "Маганак" им. Шевякова, "Первомайская" и другие в Кузбассе). Ликвидация таких завалов и крепление выработок сопряжена с большой опасностью и требует довольно больших материальных и других средств.

Известен способ крепления пустот за крепью горной выработки и восстановления нарушенного участка выработки от обрушения пород, заключающийся в размещении эластичной емкости в пустоте, подаче в нее вяжущего раствора, выгрузки всей обрушенной породы в выработку и закреплении нарушенного участка выработки. Процесс крепления и заполнения пустот по этому способу очень опасен для людей, так как при сборке и монтаже эластичной емкости в пустотах они ничем не защищены от случайных отслоений и вывалов породы. Способ не обеспечивает надежной связи между заполнителем вяжущего и окружающими породами и требует полной выдачи из горной выработки обрушенной породы и заполнение пустоты вяжущими материалами.

Известен способ заполнения пустот за крепью горной выработкой, заключающийся в уборке обрушенной породы из вывала закрепного пространства, вводе в образовавшуюся пустоту от вывала эластичной емкости и нагнетании в нее сжатого воздуха, установке крепи в выработке и подаче вяжущего раствора в эластичную емкость с одновременным выпуском из нее сжатого воздуха.

Недостатками способа является то, что эластичная емкость в вывале (пустоте) монтируется без наличия предохранительного ограждения, что очень опасно для людей, занятых монтажом емкости, не имеется активной связи заполнителя с окружающими породами и то, что обрушенные породы приходится полностью выдавать из вывала и заполнять его вяжущими материалами.

Известен также способ [1] , заключающийся в том, что до уборки обрушенной породы из выработки в пустоте вывала устанавливают временную пневмокрепь с окнами для бурения по контуру вывала пород шпуров под установку анкерно-арматурной крепи, возводят под защитой пневмокрепи анкерно-арматурную крепь, из пустоты извлекают временную крепь и затем полностью убирают обрушенную породу, устанавливают постоянную крепь в выработке и заполняют пространство вывала пород за крепью раствором твердеющей смеси.

С помощью анкерно-арматурной крепи, устанавливаемой по контуру вывала и предназначенной для обеспечения совместной активной работы заполнителя пустоты вывала и окружающих пород, не может быть достигнута надежная связь между породами над вывалом вблизи земной поверхности и заполнителем вывала из-за низкой прочности пород и невозможности надежного закрепления анкерно-арматурных стержней в этих породах. Деформация и осадка крепи в выработке под действием горного давления и веса заполнителя приводят к отделению заполнителя от пород потолочины, вытягиванию анкеров - арматуры из пород. При существенном отделении заполнителя от пород возможны мгновенные обрушения пород потолочины над вывалом вплоть до поверхности, динамические удары на крепь и разрушения крепи. Мгновенные обрушения пород над вывалом при значительном отделении от них затвердевшего заполнителя, в особенности при небольшой мощности породы над вывалом до земной поверхности, приводит к нарушению земной поверхности, что связано с появлением дополнительного очага опасности, т. е. с повышением опасности горных работ. На земной поверхности образуются провалы, через которые возможно неожиданное проникновение воды в горные выработки и их существенное обводнение вплоть до затопления. Из-за весьма различных прочностных и деформационных свойств заполнителя из раствора твердеющей смеси и пород потолочины над вывалом возможно существенное отделение заполнителя вывала от пород без заметного нарушения земной поверхности. При дальнейшем увеличении зазора между ними возможны неожиданные, практически мгновенные, обрушения пород большими объемами вплоть до земной поверхности.

Кроме того, этот способ требует применения временной предохранительной крепи в вывале (монтаж крепи в вывале и извлечение ее), уборки и выгрузки всей обрушенной породы вывала и заполнение всего объема вывала связующим твердеющим материалом. Это связано с большими материальными и трудовыми затратами.

Наиболее близким к изобретению является способ восстановления горных выработок [2] , заключающийся в том, что в выработке с обеих сторон зоны обрушения возводят перемычки до уровня проектной кровли, заполняют завал на высоту перемычки несвязующим материалом, образуют выше уровня проектной кровли в боках выработки врубы, наращивают перемычки до распора их в кровлю, а связующий материал подают выше уровня проектной кровли выработки, после чего разбирают перемычки и проходят выработку по несвязным горным породам под защитой искусственной кровли.

Недостатки способа состоят в следующем: трудоемкий, дорогостоящий и непроизводительный процесс подачи несвязующего и связующего материалов в завал в стесненных подземных условиях; требует доставки значительного объема материалов по сети горных выработок с земной поверхности к месту подачи. Кроме того, способ достаточно опасен из-за продолжительного пребывания людей в шахте и в выработке в зоне завала, где могут произойти дополнительные и вторичные процессы сдвижения и обрушения пород. В прототипе подача несвязующего материала в обрушенные породы в пределах проектного сечения восстанавливаемой выработки сопряжена с большими трудностями из-за повышенного трения между обрушенными породами и подаваемым в них (для заполнения пустот в породах) материалом, в частности песка. Кроме того, в качестве несвязующего материала может быть использован материал лишь определенного гранулометрического состава (мелкий и очень мелкий, в частности песок или дробленные породы маленьких размеров). Большим недостатком способа является и то, что пустота внутри вывала над обрушенными породами до контура вывала (объем ее равен объему пород, вывалившихся в сечение выработки и выдаваемых из выработки при ее восстановлении) не заполняется. Поэтому после восстановления выработки в процессе ее эксплуатации возможно самопроизвольное дальнейшее развитие разрушения и обрушения пород внутри вывала, в особенности в условиях повышенного горного давления, в результате чего увеличивается нагрузка на крепь и возможен повторный завал выработки и образование вывала значительно больших размеров, чем при первоначальном завале. В слабых породах вблизи земной поверхности оставление пустоты может привести к самопроизвольному обрушению пород вплоть до земной поверхности, нарушению земной поверхности, т. е. образованию провала, причем неожиданно, практически мгновенно. В конечном итоге это может привести к аварийной ситуации и на земной поверхности в местах ее провала, к разрушению крепи под действием обрушенных пород (в особенности при мгновенном обрушении потолочины до земной поверхности) и завалу выработки.

Способ также небезопасен, так как неупрочненные породы в пределах сечения выработки и поданный в них несвязующий материал при проходке выработки высыпаются и выпадают с забоя и бортов. Выпадение несвязанных пород и материала с забоя и бортов особенно опасно при значительной высоте восстанавливаемой выработки (по условиям безопасности проходка возможна при применении специальной оградительной крепи).

Целью изобретения является снижение затрат на восстановление и последующее поддержание выработок и повышение безопасности.

Цель достигается тем, что в предлагаемом способе, включающем заполнение пустот вывала заполняющими и связующим материалами , образование искусственной кровли и последующую проходку выработки под искусственной кровлей, предварительно по контуру зоны вывала с земной поверхности зависающий массив пород обуривают скважинами под углом, равным углу сдвижения зависающих пород над вывалом, заряжают их взрывчатым веществом и производят разрыхление и обрушение зависающих пород в границах сдвижения, затем заполняющим материалом засыпают образующуюся воронку, уплотняют его и обуривают породы скважинами в пределах вывала с земной поверхности, скважины обсаживают перфорированными в нижней части трубами и нагнетают раствор твердеющей смеси для упрочнения пород от почвы выработки до уровня искусственной кровли.

В предлагаемом способе в отличие от прототипа заполнение пустот вывала производится с земной поверхности путем обуривания и взрыва зависающих над вывалом пород по контуру зоны вывала с последующим заполнением воронки несвязующим материалом с поверхности и уплотнением его.

Кроме того, способ отличается тем, что породы упрочняют связующим материалом, включая искусственную кровлю, от почвы выработки путем подачи вяжущих материалов с земной поверхности через предварительно пробуренные и обсаженные перфорированными в нижней части трубы, после чего выработку проходят по упрочненным породам.

Это уменьшает трудоемкость и стоимость упрочнения пород искусственной кровли за счет исключения спуска и транспорта материалов по горным выработкам, подачи вяжущих материалов в пустоту вывала из выработки вверх.

В предлагаемом способе работы по ликвидации завала ведутся с земной поверхности, где намного дешевле транспорт материалов, стоимость работ по бурению и подаче вяжущих по сравнению с работами в шахтных условиях. Это и значительно безопаснее.

Предлагаемый способ в отличие от прототипа обеспечивает активную совместную работу обрушенных пород внутри вывала с породами потолочины над вывалом до земной поверхности в пределах границ сдвижения пород, обрушаемыми с помощью буровзрывных работ. В результате принудительного обрушения зависающих над вывалом пород в пределах границ их сдвижения и соединения их в разрыхленном состоянии с обрушенными породами внутри вывала обеспечивается формирование практически однородного по физическому состоянию (разрыхленное) заполнителя вывала, уплотнение и смещение которого под действием горного давления в процессе эксплуатации выработки после ее восстановления происходит без заметного разделения и зависания одной части относительно другой. В данном способе исключается оставление незаполненной пустоты над обрушенными породами внутри вывала до контура вывала и, следовательно, исключается зависание пород над вывалом до земной поверхности (как правило, небольшой мощности и кратковременной устойчивости), их последующее мгновенное обрушение и обусловленные этим динамические удары на крепь, поломы крепи и возможные повторные завалы выработок значительно больших размеров и объемов, чем первоначальные завалы. Кроме того, предложение обеспечивает надежное и безопасное состояние земной поверхности над вывалом пород в выработках, исключает неожиданные и зачастую весьма опасные провалы земной поверхности.

Бурение скважины по контуру зоны вывала и расположение скважин параллельно поверхностям сдвижения пород обеспечивает безопасность работ по бурению скважин, заряжанию и взрыванию зарядов, разрушение и обрушение зависающих пород над вывалом в пределах границ обрушения, сдвижения пород непосредственно с земной поверхности. Обрушение пород буровзрывным способом в пределах границ сдвижения пород исключает практически мгновенные обрушения зависших пород над вывалом в пределах границ сдвижения, происходящие обычно после восстановления выработок. Это в свою очередь исключает резкое увеличение нагрузки на крепь (зачастую динамической) и повторных завалов выработок.

Заряды в скважинах по предлагаемому способу взрываются с различными ступенями замедления, что предотвращает большие динамические удары взрываемых пород. Принудительное обрушение зависающих пород на разрушенные породы внутри вывала способствует значительному дроблению пород внутри вывала.

Способ не требует, как в прототипе, заполнение завала несвязующим материалом до уровня защитной искусственной кровли выработки, т. е. отпадает необходимость в выполнении технически весьма трудно осуществимой и дорогой работы по заполнению пустот между кусками обрушенных пород в пределах сечения выработки.

В предлагаемом способе обрушенные породы ниже проектного уровня искусственной кровли, т. е. в пределах проектного сечения выработки и в боках выработки упрочняются раствором вяжущих веществ и по упрочненным породам проводится восстанавливаемая выработка. В результате этого по сравнению с прототипом значительно повышается безопасность работ, так как исключается высыпание и вывалы пород в процессе проходки из боков и забоя выработки.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Сравнение предлагаемого технического решения с аналогами показывает, что оно отвечает критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показан продольный разрез выработки, заваленной, на некотором участке; на фиг. 2 - то же, с расположением буровых скважин по контуру зоны вывала; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2 с расположением скважин в плане по всему контуру вывала; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 - то же, что и на фиг. 2, после разрушения и обрушения взрывом взрывчатых веществ зависающих над вывалом пород в границах сдвижения их до земной поверхности; на фиг. 6 - то же, что и на фиг. 5, с заполнением образовавшейся от взрывов воронки несвязными материалами; на фиг. 7 - обуривание пород внутри вывала скважинами; на фиг. 8 - продольный разрез выработки после полного ее восстановления; на фиг. 9 - разрез В-В на фиг. 8.

Способ осуществляется следующим образом.

После разделки в восстанавливаемой выработке 1 подхода (подходов с обеих сторон) к завалу и приведение его в безопасное состояние определяют форму и размеры вывала (пустоты) и мощность зависающих над вывалом пород с помощью применяемых на горных предприятиях маркшейдерских приборов. Затем по контуру зоны вывала в пределах границ сдвижения пород, зависших над вывалом 2, бурят с земной поверхности 3 скважины 4 бурильной установкой (установками) 5 под углом наклона к горизонту, равном углу сдвижения зависающих пород над вывалом, т. е. с расположением их примерно параллельно поверхности сдвижения 6 подработанных пород. По данным многочисленных маркшейдерских инструментальных наблюдений углы сдвижения пород вблизи земной поверхности по простиранию (фиг. 2, угол ) и вкрест простирания со стороны восстания и падения составляют в основном 70-80^о. После пробуривания скважин 4 усиливают крепь в выработке на участке (обычно длиной 4-5 м), примыкающем непосредственно к вывалу, заряжают скважины взрывчатым веществом, взрывают заряды взрывчатых веществ, засыпают образовавшуюся воронку 7 несвязующими материалами 8, например мелкими породами, полученными при проведении горных выработок по породам или ведении вскрышных работ, и уплотняют породы внутри вывала. Затем обуривают с земной поверхности породы внутри вывала скважинами 9, обсаживают скважины трубами, нижняя часть которых перфорирована, подают через скважины 9 раствор твердеющей смеси , например цементно-песчаный, и упрочняют разрушенные породы 10 ниже уровня 11 искусственной кровли, начиная от почвы выработки до уровня искусственной кровли выработки. Раствор твердеющей смеси искусственной кровли 12 выработки подают с земной поверхности через скважины 9. После подачи необходимого для упрочнения пород и создания искусственной кровли раствора твердеющей смеси извлекают трубы из скважин 9 для повторного использования и дополнительно уплотняют породы внутри вывала со стороны земной поверхности, например катком. Затем проходят выработку 1 по упрочненным породам и возводят в ней постоянную крепь 13.

Предлагаемый способ обеспечивает снижение стоимости восстановления и последующего поддержания выработок, резкое повышение безопасности восстановительных работ и повышение безопасности в процессе эксплуатации выработки. Путем обеспечения совместной работы пород, зависающих над вывалом вблизи земной поверхности, которые имеют обычно кратковременную устойчивость и обрушаются, как правило, мгновенно полностью или большими частями вплоть до земной поверхности, и обрушенных пород внутри вывала над выработкой исключаются обрушения зависающих пород потолочины, связанные с этим повышенные нагрузки и поломы крепи; возможные повторные завалы выработки, нарушения земной поверхности и образование провалов со всеми вытекающими опасностями и другими отрицательными последствиями. Образование практически мгновенных провалов на земной поверхности в результате обрушения пород, потолочин над вывалами выработок вблизи земной поверхности явление обычно трудно прогнозируемое. Об этом свидетельствует опыт ведения горностроительных и добычных работ вблизи земной поверхности на угольных шахтах Кузбасса. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1168719, кл. Е 21 D 11/00, 1980.

2. Авторское свидетельство СССР N 1033757, кл. Е 21 D 9/02, 1979.