Спосіб формування армопородних несучих конструкцій у покрівлі підготовчих виробок

Изобретение относится к процессу крепления подземных горных выработок в условия х интенсивного расслоения пород кровли, а именно к способам использования несущей способности пород для обеспечения надежного функционирования горных выработок. Известен способ поддержания горных выработок с помощью установки составных напряженных железобетонных анкеров [Авт.св. СССР 1208260, кл. Е 21 D 20/00, 1984], закрепляемых в скважинах скрепляющим раствором по всей длине стержня, растяжение тампонажного камня которых производится за счет предварительного обжатия трубы, свободно надеваемой на растягиваемый стержень. С помощью этого способа пытаются создать растягивающие напряжения в окружающем массиве горных пород и, тем самым, управлять полем сжимающих напряжений, формирующимся вокруг выработки после ее проведения. Недостатком известного решения является то, что этот способ в принципе невозможно осуществить. Неравномерно складывать направленные под углом 90° друг к другу радиальные растягивающие напряжения с тангенциальными сжимающими, предельные растягивающие напряжения тампонажного камня и сцепление его с поверхностью скважины ничтожно малы по сравнению с напряжениями в массиве горных пород Но даже если предположить, что растягивающие усилия передадутся на горные породы, то это приведет к их расслоению и потере устойчивости выработки Известны также способы крепления подготовительных выработок податливой рамной крепью с предварительным распором [Авт.св СССР № 887812, кл Е 21 D 11/00. 1981; Черняк И.Л., Бурчанов Ю.И. Управление горным давлением в подготовительных выработках глубоких шахт. М., Недра, 1984], создаваемым распорным устройством, устанавливаемым между почвой выработки и верхняком крепи. Недостатком известных способов является то, что после демонтажа распорного устройства невозможно сохранить усилие распора в крепи и горных породах, в результате чего несущая способность крепи и горных пород в полной мере не используется. Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности является способ возведения опорной рамно-анкерной крепи [Авт.св. СССР № 912945.КЛ. Е 21 D 11/14,1982], включающий бурение шпуров и установку анкеров. При установке крепи применяют раздвижные домкраты, с помощью которых трубча тые втулки, свободно размещенные на анкере и имеющие клиновой элемент, направленный в сторону действия отпора крепи, углубляют в стенки шпуров. Таким образом, путем активного обжатия рамной крепи домкратами на контуре выработки, через скобы и втулки создается активный подпор в глубине массива за счет сопротивления породы срезу (сколу) под действием внедренных в массив клинов. Недостатком данного способа является то, что стержень анкера после обжатия крепи домкратами выключается из работы и не несет больше нагрузки от смещающихся в выработку пород, величина обжатия расслоившихся пород ограничена высотой спецпрофиля, что недостаточно в условиях интенсивных смещений. Кроме того, вместе внедрения конических втулок в стенки шпура сопротивление пород срезу (сколу) будет явно недостаточно для создания усилия, превышающего несущую способность крепи. Задачей заявляемого изобретения является создание в кровле подготовительной выработки из расслоившихся слаботрещиноватых пород мощной армопородной грузонесущей конструкции в виде балки или арки с предварительно-напряженными анкерами, работающей совместно с рамой податливой крепи Поставленная задача достигается тем, что в способе формирования армопородных грузонесущих конструкций в кровле подготовительных выработок, включающем бурение шпуров и установку анкеров, согласно изобретению несколько слоев слаботрещиноватых пород скрепляют между собой предварительно напряженными анкерами, для чего в кровлю выработки между рамами крепи бурят шпуры для контроля состояния массива и установки анкеров, в пробуренные шпуры помещают прибор, с помощью которого определяют местонахождение, ориентацию и раскрытие трещин, после чего массив расслоившихся пород сжимают гидродомкратзми через верхняки рамной крепи до смыкания трещин на толщину армопородной конструкции, а в шпуры устанавливают анкера с натяжением стержней, после чего гидродомкраты демонтируют, обеспечивая в результате разгрузки пород предварительное напряжение армопородной конструкции, величину которого контролируют по мере эксплуатации выработки. На фиг.1 изображена крепь и вид разрушенных пород кровли с образованием трех разрывов сплошности; на фиг.2 - то же, после установки предварительно напряженных анкеров; на фиг.3 и фит.4 - схемы к сравнению несущей способности, соответственно, не связанных анкерами и связанных породных плит. После проходки выработки в призабойной зоне устанавливают рамную податливую крепь 1, состоящую из верхняка 2 и составных стоек 3. Конструкция и технология возведения податливой крепи 1 не предотвращает разрушение вмещающи х пород кровли, которое в зависимости от геологического строения массива происходит обычно в виде послойной потери устойчивости слоев с образованием складок 4. разломов 5, смятий 6 и расслоения 7 пород. На фиг.1 приведен пример разрушения пород кровли с образованием трех разрывов сплошности 8, обозначенных штриховыми линиями и приуроченными к замку свода складки и углам трапециевидной выработки, Вначале в пласте угля происходит отжим его части, а затем начинается образование складок в кровле с одновременным смятием пород. По мере потери несущей способности нижележащего слоя в деформационные процессы вовлекаются последующие слои, что при недостаточной несущей способности крепи 1 может привести к завалу выработки и полному заполнению ее сечения породой. Для текущего контроля процесса трещинообразования пород в кровле выработки серийным оборудованием бурят шпуры 9 в которые помещают устройства для замера количества, месторасположения, ориентировки и раскрытия трещин. В качестве устройств могут использоваться зонды реометрических установок, радиоволновые приборы, щупы, оптические приборы и прочее геомеханическое оборудование. Далее, в месте предполагаемого усиления крепи, например, в зоне влияния очистных работ или смежных выработок, серийным оборудованием бурят дополнительные шпуры для установки анкеров, параметры которых (число, угол наклона, длина стержней) назначают по результатам исследования форм зон разрушения в кровле выработки. Шаг установки анкеров и удельный расход на 1 м 2 кровли выработки выбираются в зависимости от типа выработки и характера горного давления (вид зоны надработки, величины скорости смещения пород в выемочном штреке в зависимости от зависшей консоли основной кровли и др.). В пробуренные шпуры 9 устанавливают анкеры с предварительным натяжением стержня 10 гаечным ключом, гайковертом и пр. После этого массив расслоившихся пород сжимают через верхняки 2 рам гидродомкратами 11, в качестве которых можно использовать гидростойки с удлиняющими насадками шахтной забойной крепи. Сжатие производят на глубину не менее армирующих стержней, причем после обжатия пород гайки анкеров дополнительно подтягивают. Затем гидростойки демонтируют и переносят на следующий участок выработки. В результате разгрузки обжатых пород кровли обеспечивается предварительное напряжение армопородной конструкции, что приводит к значительному увеличению сил трения между плоскостями раздела горных пород и существенному повышению несущей способности породной конструкции. Так, например, сравнение несущей способности двух не связанных друг с другом (фиг.3) и связанных (фиг.4) породных плит, имеющих одинаковую толщин у, приводит к возрастанию момента инерции скрепленных плит в четыре раза. После создания в кровле выработки армопородной конструкции рама податливой крепи 1 вводится в контакт с породами кровли за счет распора между кровлей и почвой, чем обеспечивается их совместная работа. Предлагаемая последовательность операций обеспечивает после демонтажа распорных устройств сохранение предварительного натяжения анкеров и распора рам исключает их неконтролируемое снижение, так' как в ходе эксплуатации выработки натяжение анкеров постоянно контролируется. При необходимости в зависимости от совместного режима работы крепи и армопородной конструкции гайки анкеров послабляются или подтягиваются. Создание грузонесущей конструкции из расслоившихся пород кровли предотвращает руинное разрушение пород и обрушение их в выработку, а также гарантирует надежное функционирование крепи в пределах ее. конструктивной податливости. Таким образом, данный способ обеспечивает поддержание выработки с заданным поперечным сечением в течение всего срока службы, что достигается за счет управления геомеханическими процессами. Параметры способа соответствуют форме и характеру проявления горного давления, а усиление крепи производят только в местах интенсивных смещений пород, что позволяет существенно сократить затраты на крепление выработки при одновременном повышении показателей эффективности процесса.