способ предотвращения горных ударов в породах почвы выработок

Формула изобретения

1. Способ предотвращения горных ударов в породах почвы выработки, включающий бурение скважин в слой крепкой породы, их заряжание и взрывание зарядов взрывчатого вещества, отличающийся тем, что в нижней части слоя скважины заряжают более мощными зарядами и взрывают в режиме рыхления, а в верхней части слоя скважины заряжают уменьшенными зарядами и осуществляют контурное взрывание.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скважины в верхней части слоя крепкой породы заряжают через ряд.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что скважины располагают рядами симметрично относительно продольной оси выработки.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что скважины бурят попарно под углом к почве выработки в плоскости поперечного сечения выработки.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что скважины бурят попарно под углом к почве выработки в плоскостях, расположенных под углом к плоскости ее поперечного сечения.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что скважины бурят таким образом, чтобы они пересекали вертикальную плоскость, проходящую через продольную ось выработки, на высоте 0,15-0,25 m от нижней границы слоя крепкой породы, где m - мощность слоя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано для предотвращения горных ударов на угольных шахтах и рудниках, сопровождающихся динамическим разрушением почвы выработок.

Известен ряд способов предотвращения горных ударов в горных выработках с использованием разгрузки слоя пород с помощью взрывных работ, например способ разгрузки приконтурного массива горных выработок по патенту РФ № 2078927, МПК Е21С 41/18, F42D 3/04, опубл. 10.05.1997 г., включающий бурение скважин в зону концентрации растягивающих напряжений в плоскости естественного обрушения, образование начальных трещин, герметизацию скважин и нагнетание в них жидкости в режиме гидроразрыва пород основной кровли. При этом начальные трещины образуют путем размещения и взрывания в каждой скважине кумулятивного заряда взрывчатого вещества специальной конструкции, кумулятивную выемку которого ориентируют вдоль оси выработки.

Известен также способ предотвращения динамических явлений при разработке угольных пластов по патенту РФ № 1798523, МПК E21F 5/00, опубл. 28.02.1993 г., согласно которому во вмещающие горные породы бурят скважины, через эти скважины нагнетают водосодержащее жидкое взрывчатое вещество (ВВ) на участки ослабленных контактов слоев вмещающих пород, а сами скважины заполняют загущенной взрывчатой смесью. Разупрочнение горных пород производят путем взрыва водосодержащего ВВ, причем инициирование взрыва осуществляют неэлектрическим способом.

Однако все эти методы не обеспечивают в достаточной степени разгрузки вмещающих пород выработки и не устраняют полностью вероятности горных ударов, особенно на участках расположения слоя крепкой породы в непосредственной близости от почвы выработки.

Наиболее близким по технической сущности является способ предотвращения горных ударов в породах почвы выработок путем разгрузки слоя крепкой породы с помощью камуфлетного взрывания, включающий бурение скважин, их заряжание и взрывание зарядов ВВ по технологии гидромикроторпедирования (см. «Предупреждение газодинамических явлений в угольных шахтах» / Колл. авт. - М.: НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2004 г., с.117-118).

Недостатками данного способа являются низкая эффективность разрушения слоя крепкой породы, связанная с тем, что взрывные работы производят с одинаковыми по мощности параметрами камуфлетных зарядов по всей длине скважин, что ведет, с одной стороны, к недостаточной разгрузке крепкого слоя и тем самым к повышению вероятности горного удара, с другой стороны - к перерасходу ВВ, а в выработках, опасных по взрыву газа и пыли, также к излишне интенсивному истечению газа и горячих продуктов взрыва, что повышает опасность вспышек метана или пыли.

Изобретение решает задачу повышения эффективности предотвращения динамических явлений в почве выработки и безопасности ведения горных работ за счет дифференцированного разупрочнения отдельных частей слоя крепкой породы, залегающего вблизи почвы выработки, от опасной концентрации напряжений.

Для достижения указанного технического результата разупрочнение нижней части слоя крепкой породы производят более мощными зарядами рыхления, а верхней части - зарядами контурного взрывания меньшей мощности, при этом скважины в верхней части слоя заряжают через ряд.

Кроме того, согласно способу, скважины располагают рядами симметрично относительно продольной оси выработки и бурят их под углом к почве выработки таким образом, чтобы они пересекали вертикальную плоскость, проходящую через продольную ось выработки, на высоте h=0.15-0.25 m от подошвы слоя крепкой породы, где m - мощность слоя крепкой породы.

Каждую пару скважин бурят под углом к почве выработки в плоскости ее поперечного вертикального сечения или в плоскостях, расположенных под углом к плоскости ее поперечного сечения.

Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 показано вертикальное поперечное сечение выработки, на фиг.2 - плановое положение горной выработки с пробуренными и заряженными скважинами; на фиг.3 - схема разрушений в почве горной выработки.

На чертежах обозначена горная выработка 1, в породах почвы которой залегает слой 2 крепкой породы, склонный к динамическому разлому, в который пробурены скважины 3 с размещенными в них усиленными зарядами рыхления 4 в нижней части слоя 2, более мощными, чем уменьшенные контурные заряды 5, расположенные на уровне верхней части слоя 2.

Физическая сущность заявленного способа исходит из особенностей формирования в почве выработки опасных условий в слое крепкой породы, т.е. его потенциальной склонности к динамическому разлому в форме горного удара. Согласно заявленному способу непосредственно в процессе ведения взрывных работ создают условия, способствующие динамическому разлому слоя крепкой породы, что в дальнейшем полностью ликвидирует опасность горных ударов в почве выработки.

Склонность пород к динамическому разлому показывает, что реологическое поведение слоев крепкой породы в почве близко к упругому, и, соответственно, в качестве первого приближения можно рассматривать решение известной задачи о чистом изгибе балки, заделанной с обоих концов. Согласно этому решению сечение балки разделено нейтральной линией 6 на две зоны - растянутую 7 и сжатую 8 (см. фиг.3). В данном случае растянутой зоной 7 является верхняя часть слоя крепкой породы в почве, а сжатой зоной 8 - нижняя часть.

Соответственно, трещины 9, созданные взрывом, в верхней части слоя раскрываются, а в нижней - закрываются, чему дополнительно способствует давление вышележащей породы. В отличие от заявленного способа при методе камуфлетного взрывания по технологии гидромикроторпедирования, принятом за прототип, разупрочнение производится с одинаковыми параметрами взрывных работ по всей длине скважин, вследствие чего в верхней части слоя разрушение оказывается избыточным, а в нижней - недостаточным. Избыточное разрушение верхней части ведет к перерасходу ВВ, а в выработках, опасных по взрыву газа и пыли, также - к излишне интенсивному истечению газа и горячих продуктов взрыва, что повышает опасность вспышек метана или пыли.

Недостаточное разрушение нижней части крепкого слоя ведет к снижению эффективности решения основной задачи предотвращения горных ударов в породах почвы выработки - устранения условий для динамического разлома слоя крепкой породы. Это обусловлено тем, что закрытые трещины только отдаляют поведение слоя крепкой породы от упругого и снижают интенсивность накопления упругой энергии, но полностью не снимает вероятности динамических явлений. Кроме того, закрытие трещин перекрывает истечение газов, т.е. газы, не вышедшие в момент взрыва и в ближайшее время после него, могут остаться под слоем крепкой породы и создавать избыточное давление.

Поэтому, согласно заявленному способу, в верхней части слоя крепкой породы используют контурное взрывание, т.е. создают одну или более непрерывные трещины, а в нижней устанавливают заряды рыхления, т.е. полностью разрушают породы жесткого слоя. Растягивающие деформации в верхней части слоя раскрывают трещины, созданные при контурном взрывании. В нижней части слоя за счет действия зарядов рыхления создается разрушенная область. Сильное дробление вызывает снижение угла внутреннего трения горных пород (см. Беляков Ю.И., Резуник А.В. Методы определения коэффициента разрыхления крепких пород в развале // Горный журнал, 1966, № 12, с.18-21) и, соответственно, создает возможность проскальзывания сторон "моста" относительно друг друга. При проскальзывании куски пород смещаются, и за счет дилатансии значительно увеличивается объем пустот и каналов, обеспечивающих свободное истечение газов.

Так как все скважины, предназначенные для рыхления нижней части слоя, проходят через его верхнюю часть, то для осуществления контурного взрывания оказывается целесообразным использование метода заряжания через скважину. Этот метод обеспечивает достижение хорошего качества отрыва при снижении удельного расхода ВВ на 20-40% по сравнению с обычным (Бротанек И., Вода Й. Контурное взрывание в горном деле и строительстве. М: Недра, 1983, с.63). При этом интенсивное дробление нижней части слоя достигается за счет использования более мощных зарядов и более частого расположения зарядов ВВ, т.е. в каждой скважине.

Известны различные методики размещения скважин для разгрузки породного массива, например, бурением куста скважин, или в шахматном порядке, или рядами.

При однорядном взрывании единственным способом повышения мощности взрыва оказывается увеличение мощности зарядов, поэтому его можно использовать только при выполнении ряда условий, в частности допустимости применения мощных ВВ более низких классов предохранительности, относительно невысокой крепости и малой мощности слоя крепкой породы. В остальных случаях, как правило, требуется использование двух или трех рядов скважин (двух- или трехрядного взрывания).

В принципе для выполнения заявленного способа, как вариант, возможно произвести бурение, например, трех рядов скважин, пробуренных вертикально в почву выработки, расположенных симметрично относительно ее продольной оси, заряжание скважин двумя типами зарядов, как указывалось выше, и их взрывание. Более мощные заряды рыхления в нижней части слоя крепкой породы создадут локальные очаги разрушения, частично перекрывающиеся, что достигается соответствующим расчетом параметров заложения скважин. Это позволит существенно ослабить наибольшие сжимающие напряжения в нижней части "балки", однако эффект от такого воздействия будет все-таки недостаточным для полного устранения вероятности динамических разломов слоя крепкой породы в почве выработки.

В предпочтительном варианте исполнения способа для создания эффекта наибольшей концентрации ВВ в самой напряженной нижней части слоя крепкой породы, а также в целях оптимизации затрат на бурение разгрузочных скважин, в выработке закладывают два ряда скважин, расположенных попарно симметрично относительно ее продольной оси. При этом каждую пару скважин бурят под углом к почве выработки в плоскости ее поперечного сечения или в плоскостях, расположенных под углом к плоскости ее поперечного сечения.

Для более полного разрушения нижней части слоя крепкой породы скважины необходимо располагать таким образом, чтобы они пересекали вертикальную плоскость, проходящую через продольную ось выработки, на высоте 0,15-0,25 m от подошвы слоя, где m - мощность слоя крепкой породы.

Выбор высоты точки пересечения скважин обусловлен необходимостью концентрации энергии ВВ в нижней наиболее напряженной части слоя крепкой породы и опирается на выполненные расчеты распространения волн напряжений, а также опыт ведения взрывных работ во взрывоопасных породах (см. Ефремов Е.И., Харитонов В.Н., Семенюк И.А. Взрывное разрушение выбросоопасных пород в глубоких шахтах. М.: Недра, 1979) и на открытых горных работах.

Это условие достигается за счет бурения скважин попарно под наклоном к почве выработки, например, в плоскости сечения выработки. Угол наклона скважин рассчитывают по формуле:

где m - мощность слоя крепкой породы; m₁ - мощность вышележащего слоя; d - ширина выработки; b=0,5-1,5 м - расстояние от стенки выработки до ряда скважин (определяется конструктивными особенностями используемого бурового оборудования); k=0,75-0,85.

В основе получения этой расчетной формулы лежит принцип обеспечения приблизительно равной степени дробления всей нижней части разрушаемого слоя. Если бы нагрузки были распределены одинаково по толще слоя, то место наибольшей концентрации зарядов ВВ должно было бы находиться в середине нижней части пласта, т.е. на высоте 0,2-0,3 m от его подошвы. Однако так как напряжения в нижней части пласта выше, то для компенсации повышенных нагрузок оптимальное расположение зоны наибольшей концентрации ВВ смещается на 10% мощности дробимой части слоя вниз (см. Ефремов Е.И., Харитонов В.Н., Семенюк И.А. Взрывное разрушение выбросоопасных пород в глубоких шахтах. М.: Недра, 1979). На основании опыта ведения взрывных работ на открытых горных работах определены максимально допустимые пределы отклонения положения уровня места наибольшей концентрации ВВ - 0,15 0,25 m. Исходя из этих соображений и с учетом конструктивных особенностей используемого бурового оборудования определяется угол наклона скважин.

При этом расчетная суммарная длина L заряда ВВ (вместе с незаряженным промежутком) будет составлять m/(2 cos ).

Шаг а между скважинами в плоскости почвы выработки подбирают по стандартной методике, учитывающей крепость разгружаемого слоя пород (см. Ефремов Е.И., Харитонов В.Н., Семенюк И.А. Взрывное разрушение выбросоопасных пород в глубоких шахтах. М.: Недра, 1979).

В другом варианте исполнения заявленного способа (фиг.2) для достижения наиболее равномерного распределения ВВ по разрушаемой породе скважины располагают не в плоскости поперечного сечения выработки, а в плоскостях, расположенных под углом к плоскости ее поперечного сечения, то есть ориентируют скважины не только под углом к почве выработки, но также и под углом к плоскости ее поперечного сечения. В этом случае обеспечивается эффект интерференции волн напряжений, что способствует повышению степени дробления пород крепкого слоя.

Угол наклона скважин выбирается таким образом, чтобы обеспечить пересечение горизонтальных проекций каждого заряда рыхления с горизонтальными проекциями двух соседних зарядов рыхления (как показано на фиг.2), т.е. угол может быть рассчитан из выражения <arctg (2а cos /m), при этом практика показывает, что предпочтительны значения , находящиеся в диапазоне 40°-60°.

Способ осуществляют следующим образом.

В слой крепкой породы 2 в почву подготовительной выработки 1 бурят скважины 3, располагая их под углом к почве выработки 1 и под углом к плоскости поперечного сечения выработки, при этом расстояние между усиленными зарядами рыхления 4 в скважинах 3 в нижней части слоя крепкой породы 2 принимается в два раза меньше, чем расстояние между уменьшенными контурными зарядами 5 в скважинах 3 в верхней части слоя крепкой породы 2, т.е. скважины в верхней части слоя крепкой породы заряжают через ряд.

Соотношение мощностей зарядов рыхления и контурных зарядов реально составляет от 3 до 10 раз и рассчитывается, исходя из объема пород, который необходимо разрушить, из условий залегания и свойств слоя крепкой породы. В крепких трудновзрываемых породах это соотношение может составлять 3-4.

При этом для пересечения скважинами 3 вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось выработки 1 на высоте 0,15-0,25 m, где m - мощность слоя крепкой породы, угол их наклона в плоскости поперечного сечения выработки должен быть рассчитан по формуле (1), где k=0,75-0,85, а b=0,5-1,5 м в зависимости от ширины выработки d и применяемого бурового оборудования. Разрушение слоя крепкой породы производят одновременным взрыванием ВВ во всех скважинах.

Таким образом, по сравнению с известными способами, использование заявленного способа позволяет повысить эффективность предотвращения горных ударов в породах почвы выработки за счет оптимального разрушения отдельных частей слоя крепкой породы и максимального смещения верхней и нижней частей слоя относительно друг друга по всей его мощности, а также повысить безопасность ведения горных работ за счет сброса накопленной упругой энергии и полного истечения газов, накопленных под слоем крепкой породы.