Кріплення підземної виробки у важких гірничо-геологічних умовах на великій глибині розробки

1. Кріплення підземної виробки, включаючи піддатливі арки із стояків і верхняків, з'єднаних хомутами з планками і гайками, та вузлів руйнування, виконаних у формі клинів, розміщених по зовнішньому периметру арки, яке відрізняється тим, що додатково обладнане планкою з отвором, яка жорстко закріплена на фланцях сегментів арки, та направляючою трубою, в якій розміщено стрижні різного діаметра, і торцями різної конфігурації з можливістю взаємодії між собою та поверхнею днища профілю сегментів арки. 3 ють монолітним бетоном міцністю на стискання 40Н/м2. Вантажонесуча спроможність такого кріплення досягає 3,2Мн/м2, в тому числі арок 0,10,2Мн/м2. Недоліком аналогу є те, що при цьому кріпленні конвергенція не зменшилась. В одній із виробок, проведеній по тектонічному порушенню на глибині більше 1000м, конвергенція досягла 240 відсотків. Виробка була перекріплена і, таким чином, поставлена мета не була досягнута. Недоліком аналогу являється і те, що швидкість проведення виробки, з застосуванням аналогу, зменшилась в п'ять разів, а витрати на кріплення зросли з п'яти до двадцяти п'яти марок за один метр. Недоліком аналогу слід рахувати і те, що його застосування потребує 2,3кг металу на 1кН вантажонесучої спроможності, що в 2 рази більше, ніж при старій технології кріплення. Враховуючи зазначені недоліки, аналог не може застосовуватися для кріплення виробок у важких гірничо-геологічних умовах на великій глибині розробки. Відома „Металлическая крепь подготовительных выработок” [див. а. с. СССР, №1714147, Е21Д 11/14, 1992, бюл. №7]. Суть аналогу полягає в тому, що кріплення, включаючи раму із стояків і верхняків, має на зовнішньому контурі рами руйнуючі краї стріловидної форми і руйнуючі лопатки, які установлені у вирізах на стріловидних кромках і зафіксовані на суміжних рамах кріплення. До недоліків аналогу треба віднести те, що рами кріплення не піддатливі. Відомо, що міцне, але жорстке кріплення руйнується гірничим тиском і поставлена мета не досягається. Недоліком аналогу рахуємо і те, що стріловидні кромки жорсткі. Вони теж будуть зруйновані гірничим тиском. Недоліком аналогу вважаємо те, що кріплення по а.с. №1714147, не розраховане на застосування в важких гірничо-геологічних умовах В цих умовах за рамами кріплення утворюються порожнечі із яких випадають породні блоки. Під дією ударів цих блоків жорстке кріплення буде зруйноване, що призведе до обвалу породи. Аналог не може бути використаним для кріплення виробок у важких гірничо-геологічних умовах на великій глибині розробки. Відома „Крепь активно взаимодействующая с породним массивом в виработке” [див. „Вісті Донецького гірничого інституту", 1999, №5, с. 84-89, мал. 1]. Суть аналогу полягає в тому, що арка піддатливого кріплення містить закріплені на її сегментах вузли для руйнування розущільненого породного масиву, який переміщується і контактує з клинами вузлів. Кожен вузол містить клин, який вільно переміщується у пустотілому циліндрі. На зовнішній поверхні цього циліндру зроблена різьба. Циліндр з клином розташований у середині профілю сегменту, при цьому верхня частина циліндру проходе через отвір у планці, яка закріплена на стінках профілю. Нижня частина циліндру взаємодіє з гайкою, яка закріплена на днищі профілю сосно з 33060 4 отвором у планці. Недоліком аналогу є те, що він має складну конструкцію, яка потребує виповнення отвору у днищі сегменту. Недоліком аналогу є і те, що після закріплення вузлів на сегментах жорсткість на викручування сегментів не зростає і під дією гірничого тиску сегменти будуть деформовані. Аналог не може бути застосований для кріплення виробок у важких гірничо-геологічних умовах на великій глибині розробки. Найбільш близьким аналогом за технічною сутністю є “Крепь подземных выработок” [див. а. с. СССР №1724882 Е21Д 11/14, оприлюднено 07.04.1992]. Суть найбільш близького аналогу полягає у тому, що арка піддатливого кріплення містить на сегментах жорстко закріплені вузли для руйнування породного масиву, який переміщується і взаємодіє з вузлами кріплення. Кожен вузол містить нерухомий, жорстко закріплений на фланцях сегменту, плоский клин. Між площинами цього клину встановлено клин рухомий, зроблений у формі стрижня. Лезо рухомого клину проходе через отвір у вершині нерухомого клину, а хвостова його частина, з стовщенням на стрижні, проходе через отвір у пластині, жорстко закріпленій на бокових стінках профілю, та через отвір у днищі профілю, при цьому стовщення на хвостовій частині рухомого клину взаємодіє з пластиною. При зрушенні породний масив з коефіцієнтом міцності менше трьох-чотирьох розущільнюється, переміщується і взаємодіє з клинами, закріпленими на сегментах арки. Під лезами клинів порода руйнується, що забезпечує зменшення тиску на кріплення. Породний масив з коефіцієнтом міцності більше чотирьох-шести розущільнюється, але значно менше. При переміщенні масиву під лезами клинів порода не руйнується і під її тиском хвостова частина рухомого клину висовується через отвір у днищі профілю сегменту у виробку. Таке положення хвостової частини рухомого клину є ознакою підвищеного гірничого тиску на арку кріплення. Для зменшення гірничого тиску на арку необхідно зруйнувати клинами породу у покрівлі виробки. Порода руйнується клинами, якщо по ним ударяти відбійним молотком. Руйнування породи забезпечує зменшення тиску на кріплення і встановлення рівноваги системи кріплення - масив породи. Недоліком аналогу за а. с. №1724882 є те, що міцність сегментів на викручування, після закріплення на них вузлів для руйнування породного масиву, не збільшується. Відомо, що в виробках з арочним кріпленням під дією гірничого тиску в першу чергу деформується верхній сегмент серійної арки, що призводить до суттєвого зменшення вантажонесучої спроможності кріплення і ціль винаходу не досягається. Недоліком найбільш близького аналогу треба рахувати те, що клини вузлів для руйнування породного масиву виступають на значну величину над поверхнею сегментів, що створює умови для виникнення великих моментів на скручування сегментів арки. Під дією моментів арка втрачає несучу спроможність, руйнується, що призводить до 5 завалу виробки. Найбільш близький аналог не може бути застосований для кріплення виробок у важких гірничо-геологічних умовах на великій глибині розробки. Загальними ознаками найближчого аналогу і корисної моделі, що розробляється, є вузли для руйнування породного масиву і породних блоків, які падають на арку кріплення і сегменти арки з піддатливими вузлами. В основу корисної моделі поставлена задача зменшення навантажень на кріплення виробки, що забезпечить зменшення величини зрушення сегментів арки і, таким чином, забезпечить зменшення витрат на проведення і підтримку виробки. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в кожному вузлі встановлені клини у формі стрижнів різного діаметру з торцями різної конфігурації, направляюча труба і планка з отвором з можливістю взаємодії торців стрижнів між собою та з днищем профілю сегменту арки. Наявність нових суттєвих ознак, разом з відомими, забезпечує досягнення поставленої задачі. Зазначені ознаки складають суть корисної моделі, тому що є необхідними і достатніми для досягнення технічного результату - зменшення зрушень сегментів арки. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, на яких показано: на Фіг.1 - кріплення підземної виробки у важких гірничо-геологічних умовах на великій глибині розробки, на Фіг.2 перетин за АА на фіг.1, на Фіг.3 - вузол руйнування породи. Застосування нового кріплення розглядається на прикладі горизонтальної виробки, яку проводять по активному тектонічному порушенню на великій глибині розробки. В процесі проведення із покрівлі і боків виробки випадають блоки породи до установки кріплення, що призводить до формування в породному масиву, після установки арок, закріпних порожнеч, Фіг.1. Арку кріплення монтують із сегментів 2, 3. На сегментах арки закріплені вузли 4 для руйнування падаючих на арку блоків породи 5, Фіг.1. Висота, з якої падають блоки породи, досягає двох-трьох метрів. Вузли 4 розколюють породні блоки, які на них падають, в наслідок чого зменшується сила ударів, яка передається через клини на сегменти арки. При невеликій глибині закріпної порожнечі розущільнений породний масив 6 контактує з клинами вузлів 4, що зменшує величину тиску породи на кріплення. Після встановлення двох арок кріплення простір між ними перекривають піддатливою між рамною огорожею 7, 8, Фіг.2. Кожен вузол 4 для руйнування породи містить у середині профілю 9, Фіг.3, два стрижня: стрижень 10 з клиновим 11 і сферичним 12 торцями та стрижень 13, який має плоский торець 14 і клиновий торець 15. Стрижні 10 і 13 розміщені в направляючій трубі 16, яка жорстко закріплена на планці 17, при цьому торці 12 і 14 взаємодіють між собою. Клиновий торець 11 стрижню 10 пропущений через отвір 18, зроблений у планці 17, яка жорстко закріплена на верхніх площинах фланців профілю 9. Клиновий торець 15 стрижня 13 взаємодіє з 33060 6 внутрішньою поверхнею 19 днища профілю 9. Довжину і діаметр стрижнів, конфігурацію торців, а також матеріал, із якого виготовляють стрижні, визначають в кожному конкретному випадку з урахуванням коефіцієнту міцності породи та висоти падіння породних блоків на арки. Відстань між суміжними вузлами 4, закріпленими на сегментах 2, 3 арок, визначають з урахуванням розмірів блоків породи 5, падаючих на кріплення і довжини сегментів 2, 3 арок. Робота вузлів. Робота вузлів 4 для розколювання блоків породи 5, які падають на арку, а також для руйнування розущільненого породного масиву 6, розглядається у відповідності до важких гірничогеологічних умов на великій глибині розробки. Можливі декілька схем взаємодії падаючих блоків породи з вузлами 4. Схема 1. Блок породи, коефіцієнт міцності якого більше ніж 4-6, падає з висоти менше трьох метрів на клиновий торець 11 стрижня 10. Якщо розмір блока породи перевищує 0,3-0,4м, то він не розколюється, що встановлено нашими дослідами. В цьому випадку енергія удару витрачається на деформацію торців 11, 12, 14, 15. Ступінь деформації цих торців залежить від їх відносної жорсткості. Блоки породи, які не розкололися після удару, падають на поверхню піддатливої огорожі 7, Фіг.2. Під дією ударів падаючих блоків огорожа приймає форму жолоба 8, Фіг.2. По жолобу блоки породи переміщуються вниз під дією сили своєї ваги і акумулюються за кріпленням на підошві виробки. Сила удару торця 15 по поверхні 19 днища профілю досягає 140Кн. Коефіцієнт передачі енергії удару, в цьому випадку, досягає 0,25-0,30. При указаній силі удару рівновага системи арка - блок породи не порушиться і геометричні параметри арки не зміняться. Імовірність одночасного удару по вузлам 4 декількох падаючих блоків породи мала, так як період взаємодії торця 15 і поверхні днища 19 не перевищує 2/1000с., а період падіння блока породи з висоти 3м досягає 0,4с. Якщо припустити, що одночасно по вузлам 4 ударяють три блока, падаючі з висоти 3м, і вони не розколюються, то сила удару перевищить 400Кн. Під дією такої сили рівновага системи блоки - арка порушиться, кінці сегментів арки в піддатливих вузлах перемістяться, висота арки зменшиться і верхній сегмент не буде деформований. Схема 2. Блок породи 5 з коефіцієнтом міцності меншим 4-6, падає з висоти 3м і ударяє по торцям 11 вузлів 4. Якщо розмір блока породи не перевищує 0,3-0,4м, то він розколюється на дві або три частини, що встановлено нашими дослідами. Частини розколотого блоку переміщуються по жолобам міжрамної огорожі 8, Фіг.2, і акумулюються на підошві виробки в закріпній порожнечі. Енергія ударів, у цьому випадку, витрачається на розколювання блока породи та деформацію торців 11, 12, 14, 15. Сила удару торця 15 по поверхні днища 19 профілю сегменту залежить від розмірів ударяючого блока, висоти його падіння і коефіцієнту міцності породи блоку. Об'єм порожнеч за кріпленням, при проведенні виробки у важких гірничо 7 геологічних умовах, досягає 4-6 метрів кубічних на один метр виробки. Роздріблена порода, яка акумульована в закріпній порожнечі, тисне на стояки арки. Для зменшення тиску породу частково випускають із закріпної порожнечі у виробку і контролюють зміщення кінців сегментів арки у піддатливих вузлах. Схема 3. На окремих ділянках виробки глибина порожнеч за кріпленням не перевищує 0,2-0,3м. В цьому випадку порода покрівлі і боків, на відстані 30-40м від забою виробки, взаємодіє з вузлами руйнування 4, Фіг.1. Відомо, що поверхня виробки, при комбайновому способу проведення, має хвильовий профіль. При взаємодії породного виступу з вузлом руйнування виступ розколюється. Сила взаємодії, при цьому, не перевищує 3-4Кн. Якщо на верхньому сегменту арки встановлено 10 вузлів 4 для розколювання породи і торці 11 одночасно взаємодіють з породними виступами, то тиск на арку не перевищить її несучої спроможності. При розколюванні виступів арка розвантажується від 33060 8 підвищеного тиску породи. При взаємодії 10 вузлів 4 з плоскими ділянками поверхні виробки сила взаємодії перевищить несучу спроможність піддатливої арки і її висота зменшиться, а порода покрівлі не буде зруйнована. Відомо, що сила опору арки зростає в процесі зміщення сегментів в піддатливих вузлах і досягає 300-400Кн. При такій силі опору порода руйнується клиновими торцями 11 вузлів 4, а арка кріплення розвантажується від підвищеного гірничого тиску. Встановлюється рівновага системи породний масив-арка кріплення. При зростанні гірничого тиску процес взаємодії породного масиву і клинових торців вузлів руйнування 4, за кріплених на арках, повторюється. Таким чином, застосування вузлів руйнування породного масиву і розколювання породних блоків, зменшує величину зрушення піддатливого кріплення, що дозволяє зменшити площу поперечного перерізу виробки і витрат на проведення та підтримання її на 20-30 відсотків. 9 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 33060 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601