способ охраны повторно используемых горных выработок

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОХРАНЫ ПОВТОРНО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК, включающий бурение в кровлю скважин на высоту, равную высоте разуплотнения кровли с подпором и принудительное обрушение пород кровли через скважины, отличающийся тем, что, с целью снижения затрат на крепление и поддержание повторно используемых горных выработок и повышение безопасности труда, впереди зоны опорного давления очистного забоя из выработки по борту ее со стороны очистного забоя бурят вертикально ряд скважин и устанавливают в них анкеры с заглублением их замков за контур разуплотнения пород над выработкой, затем бурят второй ряд скважин рядом с первым с выходом их в зону опорного давления в направлении падения наиболее развитых поперечных систем трещин и трещин продольных оси выработки при падении последних на краевую часть пласта, а при падении продольных трещин на завал второй ряд скважин бурят за очистным забоем в боку выработки со стороны выработанного пространства параллельно поперечной трещиноватости и площадкам скольжения пород кровли параллельных охраняемой выработке, при этом разупрочнение пород кровли с использованием второго ряда скважин производят за очистным забоем.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что бурение второго ряда скважин ведут в промежутках между поперечными трещинами поперечной системы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для охраны повторно используемых горных выработок при бесцеликовой отработке угольных пластов.

Охрана и поддержание горных выработок, используемых повторно при бесцеликовой отработке угольных пластов, связаны с большими затратами и трудностями в связи с зависанием на них и краевую часть массива угольного пласта значительных объемов подработанных пород кровли. Нависшие породы формируют обычно большие нагрузки на повторно используемые выработки, которые зачастую приводят к частичному или полному задавливанию охраняемых выработок.

Известны способы охраны и поддержания повторно используемых горных выработок по авт. св. N 983273, кл. Е 21 С 41/04, 1982; авт. св. N 998757, кл. Е 21 С 41/04, 1983; авт. св. N 1244327, кл. Е 21 С 11/00, 1986.

Недостатком способа по авт. св. N 983273 является необходимость обрушения зависающих пород кровли буровзрывным способом из разгрузочных выработок и сооружение разгрузочных выработок и ниш. Кроме того, скважины для разупрочнения и обрушения консольно зависающих пород кровли взрывным способом бурятся без учета структурно-текстурных элементов строения пород кровли, секущих трещин и других природных поверхностей ослабления, что затрудняет принудительное обрушение пород кровли, требует бурения дополнительных скважин и дополнительный расход взрывчатых веществ.

Недостатком способа по авт. св. N 1244327 является то, что не обеспечивается обрушения консольно зависающих пород на охраняемую выработку, а поддержание их - элементами гидрокрепи, устанавливаемыми на берме лавы. Это связано с большими затратами на гидрокрепь и необходимостью поддержания пород кровли над бермой, что ведет к дополнительным повышенным нагрузкам на сохраняемую выработку на протяжении всего времени ее повторного использования.

Из известных способов охраны повторно используемых горных выработок наиболее близким к предлагаемому является способ по авт. св. N 998757.

Сущность способа, включающего установку усиливающей крепи в охраняемой выработке со стороны выработанного пространства и впереди очистного забоя, бурение в кровлю скважин, заряжение их зарядами ВВ и взрывание их выработки, заключается в том, что скважины бурят на высоту, равную высоте разуплотнения кровли с подпором, через расстояние не более диаметра интенсивного трещинообразования при взрывании кровли и под углом наклона линий заделки прогибающихся слоев кровли к горизонту.

Основной недостаток способа состоит в том, что скважины для обрушения зависающих пород кровли взрывным способом бурят без учета основной природной трещиноватости пород кровли. Принудительное обрушение зависающих пород кровли способом без учета и не во взаимосвязи с основной природной трещиноватостью резко снижает обрушаемость и разрушение зависающей кровли, требует бурения дополнительных скважин и дополнительных расходов взрывчатых материалов.

Недостаток способа состоит также в том, что усиливающая крепь, устанавливаемая в охраняемой выработке, является пассивно поддерживающей, т. е. крепью, принцип работы которой не основан на несущей способности пород кровли. Пассивная усиливающая крепь поддерживающего типа характеризуется повышенной материалоемкостью и повышенной трудоемкостью ее установки. Применение усиливающей крепи поддерживающего типа в виде органного ряда стоек, тумб, костров, пневматических баллонов и др. на границе выработки с выработанным пространством очистного забоя не обеспечивает сохранения естественных связей слоев и отдельностей кровли над выработкой и их совместной работы.

Целью изобретения является снижение затрат на крепление и поддержание повторно используемых горных выработок и повышение безопасности труда.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем бурение в кровлю скважин на высоту, равную высоте разуплотнения кровли с подпором, и принудительное обрушение пород кровли через скважины, впереди зоны опорного давления очистного забоя из выработки по ее борту со стороны очистного забоя бурят вертикально ряд скважин и устанавливают в них анкеры с заглублением их замков за контур разупрочнения пород над выработкой, затем бурят второй ряд скважин рядом с первым с выходом их в зону опорного давления в направлении падения наиболее развитых поперечных систем трещин и трещин, продольных оси выработки, при падении последних на краевую часть пласта, а при падении продольных трещин на завал второй ряд скважин бурят за очистным забоев в боку выработки со стороны выработанного пространства параллельно поперечной трещиноватости и площадкам скольжения пород кровли, параллельных охраняемой выработке, при этом разупрочнение пород кровли с использованием второго ряда скважин производят за очистным забоем. Бурение второго ряда скважин ведут в промежутках между поперечными трещинами поперечной системы.

В заявленном техническом решении в отличие от прототипа обрушение и разрушение консольно зависающих пород кровли обеспечиваются путем использования основных природных поверхностей ослабления подработанных пород кровли, а надежное безопасное состояние пород кровли в сохраняемой выработке на границе с выработанным пространством обеспечивается скреплением их анкерами, в результате чего достигается совместная работа слоев и отдельностей кровли и использование их несущей способности.

Скважины, в которые устанавливают анкеры, бурят на расстоянии друг от друга, не превышающем шага устойчивого состояния скрепленных пород между анкерами, а отсечные скважины бурят через расстояние не более шага разрушения и обрушения консольно зависающих пород на границе охраняемой выработки с выработанным пространством, т. е. через расстояние, при котором происходит разупрочнение и обрушение пород, осуществляемое через эти скважины, например, нагнетания в них под давлением воду (гидроразрыв) или взрывания зарядов взрывчатых веществ, размещаемых в них.

Бурение скважин из выработки по борту со стороны отрабатываемого очистного забоя до попадания ее в зону опорного давления через расстояние не более шага устойчивого состояния заанкерованных пород и закрепление в скважинах анкеров с заглублением их замков за пределами высоты разуплотнения и разупрочнения пород кровли над выработкой обеспечивает совместную работу скрепленных пород (слоев, структурно-текстурных отдельностей). С помощью анкеров в скважинах этого ряда создается место жесткой заделки пород кровли охраняемой выработки в граничной ее части (жесткая линия обреза пород), а с помощью параллельного ряда скважин, в которые нагнетают воду (размещают заряды ВВ) за очистным забоем, обеспечивается обрушение, отсечение консольно зависающих пород кровли на границе охраняемой выработки и выработанного пространства.

За счет ряда анкеров с жесткой заделкой их в породах кровли, не испытывающих разуплотнения и разупрочнения, на границе сохраняемой выработки с выработанным пространством и параллельного ряда со стороны выработанного пространства отсечных скважин, пробуренных на высоту, равную высоте разуплотнения пород кровли с полным их подбучиванием (подпором), достигается практически разлом и обрушение консольно зависающих пород в плоскости наличия отсечных скважин без установки в выработке на границе с выработанным пространством усиливающей подпорной крепи в виде органного ряда из деревянных и металлических стоек, обрезанных тумб типа ОКУ, секций механизированных комплексов и других средств. Усиливающая крепь, как правило, очень материалоемка, трудоемка в возведении и дорогая. В предлагаемом техническом решении нет надобности в высоконесущей усиливающей крепи, необходимой в прототипе. Для предотвращения высыпания и обрушения пород из выработанного пространства в выработку в заявленном способе достаточна ограждающая крепь. Бурение отсечных скважин в направлении (параллельно) падения наиболее развитых поперечных систем трещин и продольных оси выработки трещин, если последние подают на краевую часть угольного пласта, и бурение этих скважин при падении продольных трещин на завал параллельно поперечной трещиноватости и площадкам скольжения пород, которые параллельны охраняемой выработке, причем как в первых, так и во вторых условиях - в промежутках между трещинами поперечной системы, обеспечивают по сравнению с прототипом (и аналогами)

размещение отсечных скважин и средств, применяемых для разупрочнения пород (нагнетаемую под давлением воду, ВВ, др. ), в более прочных и наиболее сильно зависающих породах кровли;

резкое облегчение разупрочнения, сползания и обрушения консольно зависающих пород;

более эффективное разрушение пород и равномерное забучивание выработанного пространства;

снижение объема бурения отсечных скважин;

экономия средств, подаваемых в отсечные скважины и используемых для разупрочнения и обрушения зависающих пород.

Физически это обусловлено использованием основных природных поверхностей ослабления (поверхностей секущих трещин) в породах кровли, которые являются фактором (дополнительными свободными поверхностями) резкого повышения эффективности отбойки и разрушения пород.

Таким образом заявленное техническое решение соответствует критерию "новизна" и "существенные отличия".

На фиг. 1 показана принципиальная схема взаимного расположения охраняемой выработки и очистной выработки, скважин в кровле для установки в них анкеров и отсечных скважин у борта охраняемой выработки при падении продольных трещин, параллельных оси выработки, на краевую часть пласта угля; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 1; на фиг. 5 - принципиальная схема взаимного расположения охраняемой и очистной выработок, скважин в кровле для установки в них анкеров и отсечных скважин при падении продольных скважин, параллельных оси охраняемой выработки, на завал (выработанное пространство); на фиг. 6 - разрез Г-Г на фиг. 5; на фиг. 7 - разрез Д-Д на фиг. 5; на фиг. 8 - разрез на фиг. 5.

Способ осуществляют следующим способом.

При отработке очистной выработки 1 в выемочном поле или столбе угольного пласта столбовой системой разработки выработку 2 сохраняют на границе выработанного пространства 3 для повторного использования. При отработке соседней очистной выработки сохраненную выработку 2 используют повторно. В процессе геологической разведки пласта и при проведении выработки 2 и других выработок, оконтуривающих очистную выработку 1, изучают строение пород кровли - продольные (нормальные) системы трещин и поперечные (нормально секущие) системы трещин, расстояние между трещинами этих систем, направление падения трещин этих систем. Полученную информацию наносят на план отработки очистной выработки 1 выемочной части пласта.

Впереди очистного забоя 4 за пределами протяженности зоны опорного давления по борту выработки 2 со стороны очистного забоя бурят ряд скважин 5 вертикально в кровлю на высоту, превышающую высоту разуплотнения пород кровли над выработкой на величину заглубления (закрепления) замков анкеров за контур возможного разуплотнения и разоупрочнения пород над охраняемой выработкой, и на расстоянии друг от друга по длине выработки, не превышающем шага устойчивого состояния скрепленных пород между анкерами. В скважины 5 этого ряда по мере их бурения устанавливают анкеры 6 и скрепляют перебуренные породы (преимущественно металлические, винтовые, полимерные анкеры). Величину возможного разуплотнения и опасных деформаций пород кровли над сохраняемой выработкой lр определяют опытным путем шахтными наблюдениями для конкретных условий или расчетом по известным методикам, например по формуле

l_р= , где - полупролет выработки в проходке;

f - коэффициент крепости скрепляемых пород по шкале проф. М. М. Протодьяконова;

К_о - коэффициент концентрации опорного горного давления в краевой части охраняемой выработки в зоне влияния очистных работ, равен 2-3 по данным шахтных и лабораторных исследований (для подавляющего большинства условий отработки угольных месторождений).

Величину заглубления замка анкера за контур разуплотнения и разупрочнения пород кровли выработки определяют исходя из условий прочности закрепления замка анкера в породах, т. е. исходя из веса пород, поддерживаемых анкером, и ожидаемого на него горного давления. По результатам шахтных и лабораторных исследований эта величина для условий шахт Кузбасса составляет 0,4-0,6 м. Шахтными наблюдениями выявлено также, что в указанных условиях величина шага безопасного состояния скрепляемых пород кровли пластов, т. е. расстояние между скважинами, в которые устанавливают анкеры, составляет 1,1-1,6 м.

Если продольные трещины 7 в породах кровли совпадают с осью охраняемой выработки 2 и падают на краевую часть массива, то одновременно со скважинами 5, в которых по мере их бурения устанавливают анкеры 6, непосредственно у борта выработки из нее бурят ряд скважин 8 в промежутках между поперечно-секущими трещинами 9 параллельно основным трещинам 7 и 9, т. е. в направлении, совпадающем с направлением падения наиболее развитых продольных и поперечных трещин 9 обеих этих систем. Скважины 8 второго ряда бурят на расстоянии 0,3-0,4 м от скважин 5 первого ряда и на высоту, равную высоте разуплотнения пород кровли с подпором, т. е. на высоту, при которой обрушение консольно зависающих пород кровли в краевой части сохраняемой выработки обеспечивает полное подбучивание с подпором вышележащих пород, подработанных очистными работами. Высоту бурения скважин данного ряда определяют одним из известных способов. В частности, она может быть определена из выражения, по которому находят обычно мощность пород кровли h_к, обрушение которых обеспечивает полное подбучивание с подпором вышележащих подработанных пород

h_к= , где m - мощность разрабатываемого угольного пласта;

К_р - коэффициент разрыхления пород кровли после их уплотнения и слеживания.

Скважины 8 второго ряда бурят в промежутках между поперечными трещинами по длине сохраняемой выработки на расстоянии друг от друга, не превышающем шага разлома и обрушения консольно зависающих пород на границе с выработанным пространством. Величину шага бурения скважин (расстояние между скважинами) данного ряда для конкретных горно-геологических и горнотехнических условий разработки угольного пласта, группы пластов в свите, определяют, например, опытным путем шахтными наблюдениями за полнотой обрушения консольно зависающих пород или на моделях из эквивалентных материалов.

По мере перехода скважин 8 (второго ряда) за очистной забой 4 на границе сохраняемой выработки с выработанным пространством устанавливают ограждающую крепь 10 для предотвращения выпадания и скатывания (при крутонаклонном и крутом залегании пластов) пород из выработанного пространства в сохраняемую выработку 2 и удаление их на безопасное расстояние от очистного забоя 4 из сохраняемой выработки, в скважины поочередно вставляют шланги с герметизующей оболочкой, нагнетают в скважины воду и осуществляют направленный (ориентированный) гидроразрыв и разрушение пород или заряжают по одной скважине ВВ, взрывают заряды и обрушают консольно зависающие на выработку породы кровли.

Когда продольные трещины 7 пород кровли параллельны продольной оси охраняемой выработки 2 и падают на выработанное пространство (завал), т. е. не в направлении от выработки, как в первом случае (условиях), а на выработку, скважины 8 второго ряда бурят позади очистного забоя 4 вслед за его подвиганием в промежутках между поперечными трещинами 9 параллельно этим трещинам и площадкам скольжения (сдвига и отрыва) консольно зависающих пород. Скважины бурят на такую же глубину, расстояние между ними принимают таким же образом, как и в первом случае. Так же осуществляют через эти скважины (отсечные) гидравлическим и взрывным способом разупрочнение и обрушение зависающих пород кровли.

Повышение безопасности труда при эксплуатации повторно используемых выработок достигается за счет повышения устойчивости пород кровли в результате скрепления их анкерами, а не усиливающими крепями поддерживающего типа, как в прототипе, и снижения объема буровых и разупрочненных работ за счет использования природных поверхностей ослабления пород кровли.

Использование заявляемого технического решения обеспечивает снижение стоимости охраны 1 м повторного использования выработки и повышение безопасности труда.