способ крепления сопряжений горных выработок

Формула изобретения

1. Способ крепления сопряжений горных выработок, включающий проведение основной выработки и примыкающей с креплением остроугольной части целика, установку искусственной опоры в устье примыкания выработок, отличающийся тем, что во время проведения основной и примыкающей выработок, их сопряжения, кровлю крепят анкерами двух уровней, а крепление остроугольной части целика осуществляют креплением анкерами ее борта при проведении основной выработки, в которой дополнительно по мере проведения примыкающей выработки кровлю закрепляют анкерами с наклоном в противоположную сторону от целика, хвостовики которых соединяют натягом с анкерами, размещенными в сквозных скважинах целика у кровли, и противоположные концы которых в примыкающей выработке соединяют с хвостовиками дополнительных анкеров в ней, устанавливаемых с наклоном в противоположную сторону от целика, а противоположные борта целика через сквозные скважины дополнительно скрепляют во время проведения примыкающей выработки анкерами с предварительным натяжением.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кровлю анкерами двух уровней крепят в следующей последовательности: при проведении в зоне забоя кровлю закрепляют анкерами первого уровня, длину которых задают из условия подвески к контуру устойчивого массива пород возможного вывала, формирующегося в период проходки; с отставанием от забоя вне зоны работы забойных механизмов кровлю закрепляют анкерами второго уровня, длину которых выбирают из условия закрепления их на 1,2 - 1,5 м за устойчивым контуром возможного вывала пород, который формируется в течение всего времени эксплуатации сопряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, а именно к креплению горных выработок.

Для крепления сопряжений горных выработок применяются различные конструкции металлических и железобетонных анкеров, которые возводят по мере проведения сопрягающихся выработок. Однако при этом не достигается существенной разгрузки пород в пределах остроугольной части ("утюга") сопряжения и нередко предотвращения опасных деформаций их в процессе эксплуатации сопряжения выработок. С глубиной горных работ резко возрастают разрушения пород остроугольной части сопряжения выработок, закрепленных анкерной (рамной, монолитной бетонной и др.) крепью. Это приводит к дополнительным затратам на крепление и поддержание сопряжений выработок.

Известен способ [1] крепления сопряжений горных выработок монолитной бетонной крепью по мере проведения сопряжения или с некоторым отставанием от забоя, заключающийся в устройстве опалубки и укладки за нее бетонной смеси.

Недостатком способа является то, что в нем не используется несущая способность вмещающих пород. Также отсутствует податливость бетонной крепи, что приводит к ее разрушению вследствие значительных нагрузок на крепь сопряжения. Кроме того, способ очень материалоемкий и трудоемкий.

Известен способ [1, 2] крепления сопряжений горизонтальных и наклонных выработок металлической крепью арочной, трапециевидной и круглой формы поперечного сечения, сущность которого заключается в установке рам или колец по мере проведения сопряжения выработок.

Недостатки способа заключаются в том, что в нем не используется несущая способность вмещающих пород, конструктивная податливость крепи невзаимосвязана с предельной величиной безопасных деформаций пород остроугольной части сопряжения выработок. Кроме того, способ крепления очень материалоемкий и трудоемкий, крепь обладает низкой устойчивостью, вследствие чего ее часто выбивает и опасно деформирует при выемке породы, сопряжения буровзрывным способом.

Известен способ [3] крепления сопряжений выработок анкерной крепью в сочетании с металлической рамной крепью, сущность которого состоит в том, что по мере проведения сопряжения основной (подводящей) и примыкающей выработки возводят анкерную крепь, а в промежутках между ней устанавливают металлические рамы. После проведения разветвления и закрепления его анкерной крепью совместно с металлической рамной непосредственно в устье примыкания выработок возводят опорную раму из металлических или бетонных столбов и укладывают на них металлические опорные балки.

Недостатки способа [3] заключаются в том, что анкерная и рамная крепи имеют значительно различные механические характеристики податливости, вследствие чего они неравномерно воспринимают нагрузки от горного давления. На режим работы системы горные породы остроугольной части сопряжения "анкерная крепь - рамная крепь и опорная (камерная) рама" отрицательно сказывается жесткость опорной рамы. Не взаимоувязаны податливость анкерной и рамной крепей с предельной величиной безопасных деформаций остроугольной части сопряжения. По этой причине происходят существенные перегрузки пород остроугольной части сопряжения и их разрушения. Нередко это наблюдается в условиях повышенного горного давления. Недостатком способа является также низкая устойчивость рамной крепи. При проведении сопряжения буровзрывным способом ее часто под воздействием сил взрыва выбивает и опасно деформирует. Кроме того, рамная крепь, применяемая в сочетании с анкерной, очень материалоемка и трудоемка как в доставке, так и в возведении.

Известен способ [3, 4] крепления сопряжений выработок анкерной крепью, заключающийся в том, что анкерную крепь в кровлю и бока сопряжения выработок возводят по мере его проведения.

Недостатки способа состоят в том, что анкерная крепь кровли не работает совместно с породами устойчивой части массива, в результате чего смещения заанкерованных пород превышают предельную величину безопасных деформаций пород под действием горного давления. По этой причине часто происходит разрушение пород остроугольной части сопряжения выработок. Способ не обеспечивает разгрузки пород кровли над целиком остроугольной части сопряжения. Кроме того, способ не позволяет формировать объемное напряженное состояние пород остроугольной части сопряжения и создать по всей ширине целика бокового распора, исключающего опасные деформации пород. Недостатком способа является также то, что анкеры в кровле и боках остроугольной части сопряжения не взаимоувязаны в единую систему и не работают в едином режиме исходя из ожидания опасных деформаций пород кровли и целика на сопряжении выработок. Из-за различных деформационных характеристик крепи и пород остроугольной части сопряжения последние после исчерпания предельно допустимой деформации воспринимают основную часть горного давления на сопряжение выработок и постепенно разрушаются. Это приводит к дополнительным затратам на крепление и поддержание сопряжения выработок.

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является способ [5] повышения устойчивости сопряжения выработок в неустойчивых породах и остроугольной части его, который заключается в повышении несущей способности остроугольной части путем установки опорной тумбы в устье примыкания выработок и искусственного опорного элемента в остроугольной части пород между выработками на некотором удалении от геометрического центра сопряжения, для чего в породах остроугольной части сопряжения при проведении основной выработки до проведения примыкающей выработки вынимают узкую полосу или проводят сбойку, которую заполняют бетоном и которая в дальнейшем выполняет функцию искусственного опорного элемента. Опорную тумбу прикрепляют к искусственному опорному элементу анкерами. Площадь поперечного сечения опорного элемента определяют из условия, чтобы дополнительные нагрузки на крепь сопряжения и пород остроугольной части его, вызванные проведением сопрягающихся выработок, воспринимались опорным элементом.

Недостатком способа [5] является большая трудоемкость и материалоемкость устройства и возведения опорного элемента и соединения опорной тумбы с опорным элементом анкерами. Кроме того, опорный элемент, опорная тумба и породы остроугольной части массива не работают взаимоувязано как единая конструкция, что в условиях повышенного горного давления приводит к неравномерному нагружению крепи, опорной тумбы и опорного элемента и породы остроугольной части сопряжения и разрушению последних, прежде всего вблизи опорной тумбы. Недостатком способа является также то, что он не обеспечивает бокового распора пород остроугольной части сопряжения и формирования из них единой грузонесущей конструкции.

Целью изобретения является повышение устойчивости сопряжений горных выработок и снижения затрат на крепление и поддержание сопряжений выработок.

Цель достигается тем, что в предлагаемом способе крепления сопряжений горных выработок, включающем проведение основной выработки и примыкающей с креплением остроугольной части, установку искусственной опоры в устье примыкания выработок, во время проведения основной и примыкающей выработок, их сопряжения, кровлю крепят анкерами двух уровней, а крепление остроугольной части осуществляют креплением анкерами ее борта при проведении основной выработки, в которой дополнительно по мере проведения примыкающей выработки кровлю закрепляют анкерами с наклоном в противоположную сторону от целика, хвостовики которых соединяют натягом с анкерами, размещенными в сквозных скважинах целика у кровли, и противоположные концы которых в примыкающей выработке соединяют с хвостовиками дополнительных анкеров в ней в кровле, устанавливаемых с наклоном в противоположную сторону от целика, а противоположные борта целика через сквозные скважины дополнительно скрепляют во время проведения примыкающей выработки анкерами с предварительным натяжением.

Кровлю анкерами двух уровней крепят в следующей последовательности: при проведении в зоне забоя кровлю закрепляют анкерами первого уровня, длину которых задают из условия подвески к контуру устойчивого массива пород возможного вывала, формирующегося в период проходки;с отставанием от забоя вне зоны работ забойных механизмов кровлю закрепляют анкерами второго уровня, длину которых выбирают из условия закрепления их на 1,2 - 1,5 м за устойчивым контуром возможного вывала пород, который формируется в течение всего времени эксплуатации сопряжения.

В предлагаемом способе в отличие от прототипа повышение устойчивости сопряжения выработок и остроугольной части целика между сопрягающимися выработками обеспечивается путем крепления борта целика анкерами при проходке основной выработки и крепления остроугольной части целика сквозными анкерами при проходке примыкающей выработки с предварительным натяжением, составляющим 60 - 70% от прочности на разрыв анкеров. Анкеры устанавливают в несколько рядов по высоте через перетяжку и опорные элементы. Установка сквозных анкеров и несквозных анкеров по всей длине остроугольной части целика между основной и примыкающей выработкой с натяжением, равным 60 - 70% величины прочности анкеров, позволяет создать в целике некоторое объемное напряженное состояние пород и тем самым повысить сопротивляемость и несущую способность остроугольной части целика.

Введение высокопрочных (с разрывным усилием 24 тс) анкеров через сквозные скважины в целике и присоединение их с натягом к дополнительным анкерам, установленным под углом в основной выработке и примыкающей в противоположные стороны от целика, позволяет разгрузить в некоторой степени целик от давления пород непосредственной кровли за счет создания вертикальной составляющей реакции отпора предварительно натянутого анкера.

Крепление кровли непосредственно в забое по мере проведения выработок и сопряжения их анкерами первого уровня, сшивающими нижние слои пород и отдельности ее в единое целое с подвеской их за контуром возможного вывала в период проходки, а за забоем вне зоны работы забойных механизмов анкерами второго уровня с заглублением их на 1,2 - 1,5 м за контур возможного вывала пород, который формируется в течение всего времени эксплуатации сопряжения, обеспечивает безопасные смещения заанкерованных пород кровли и безопасные деформации остроугольной части целика, повышение безопасности работ с одновременным увеличением скорости проведения выработок. В результате закрепления кровли анкерами двух уровней, установки на остроугольном участке целика в кровле основной и примыкающей выработок дополнительных наклонных анкеров с соединением их между собой анкерами с натяжением и скрепление боков остроугольной части целика сквозными и несквозными анкерами формируется система "вмещающие породы, крепежные анкеры, дополнительные анкеры и породы остроугольной части целика", которая работает в едином режиме и обеспечивает устойчивость сопряжения выработок и его остроугольной части в течение всего срока службы.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, изобретение соответствует условию "Новизна".

На фиг. 1 показана принципиальная схема основной выработки и примыкающей к ней выработки под острым углом, размещения анкеров в кровле на участке сопряжения и сквозных скважин в породах остроугольной части целика между сопрягающимися выработками; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1.

Способ осуществляется следующим образом.

По мере проведения основной выработки 1 непосредственно в забое кровлю закрепляют анкерами первого уровня 2 и бока анкерами 3. С отставанием от забоя вне зоны работы забойных механизмов, например на 20 - 25 м, бурят шпуры в кровлю и закрепляют ее анкерами второго уровня 4. Контур устойчивой части пород кровли в период проходки и на протяжении всего срока службы основной выработки (а также примыкающей) и сопряжения выработок принимают по данным инструментальных наблюдений (например, с помощью контурных и глубинных реперов), полученным для подобных горно-геологических и горнотехнических условий.

По мере проведения разветвления 5 и примыкающей выработки 6 непосредственно в забое закрепляют кровлю анкерами первого уровня 2 и борт со стороны массива анкерами 3 и за пределами призабойного пространства закрепляют кровлю анкерами второго уровня 4. Начиная от вершины острого угла целика и по всей длине остроугольной части целика 7 позади призабойного пространства, например с отставанием от забоя на 20 - 30 м, в кровле примыкающей выработки устанавливают дополнительные анкеры 8 наклонно (под углом 68 - 75^o) от целика и закрепляют их на той же глубине, что и анкеры в кровле второго уровня. Одновременно напротив них в кровле основной выработки устанавливают дополнительные анкеры 8 с наклоном от целика (под углом 68 - 75^o) Затем из примыкающей выработки в местах установки дополнительных анкеров на уровне кровли бурят сквозные скважины 9 через всю ширину остроугольной части целика, размещают в них анкеры 10 (стержневые или канатные с разрывным усилием, например, 240 кН), соединяют их концы с хвостовиками дополнительных анкеров 8 в кровле основной и примыкающей выработки и создают в них натяжение с помощью натяжного устройства 11 винтовой или другой конструкции. По мере установки дополнительных анкеров 8 в кровле основной и примыкающей выработки и соединения их сквозными стяжными анкерами 10 бурят из примыкающей выработки напротив в основную через остроугольную часть целика сквозные скважины, размещают в них анкеры 12 и создают в них натяжение, равным примерно 60 - 70% их прочности.Сквозные анкеры устанавливают на высоте целика в несколько рядов и соединяют между собой подхватами 13 с перетяжкой пород.

После сооружения остроугольной части сопряжения выработок устанавливают искусственную опору (тумбу) 14 в устье примыкания выработок.

Предлагаемый способ повышает надежность и эффективность крепления сопряжений горных выработок, повышает их устойчивость, снижает затраты на поддержание сопряжений выработок путем обеспечения более полного использования несущей способности вмещающих пород массива и единого режима совместной работы пород массива, анкерной крепи и пород остроугольной части сопряжения выработок, исключающего опасные деформации их, на протяжении всего времени эксплуатации сопряжения выработок .

Источники информации

1. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г. Крепление капитальных и подготовительных выработок. М.: Недра,1989,с. 107-111.

2. А.с. N 1150372 СССР, кл. E 21 D 11/36.

3. Широков А. П. , Писляков Б.Г.Расчет и выбор крепи сопряжений горных выработок.- М.: Недра, 1978.

4. Широков А. П. , Лидер В.А., Писляков Б.Г. Расчет анкерной крепи для различных условий применения. М.: Недра, 1976.

5. А.с. N 1411484 СССР, кл. E 21 D 9/00.