Спосіб анкерного кріплення виробки

Реферат: Спосіб анкерного кріплення виробки включає визначення глибини зони руйнованих порід, буріння шпурів по контуру виробки глибиною, яка більша за глибину зони руйнованих порід, встановлення та закріплення анкерного кріплення в шпурах, закручення та підтискання опорних шайб до контуру виробки. Для збільшення ефективності передачі тепла з масиву гірських порід теплоносію на ділянці зруйнованих порід шпур бурять діаметром не менше двох діаметрів анкера. Після закріплення анкера зазор між ним і стінкою шпуру заповнюють теплопровідним наповнювачем і встановлюють теплообмін з повітрям виробки за допомогою опорної шайбирадіатора. UA 102020 C2 (12) UA 102020 C2 UA 102020 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується гірничої справи та може бути використаний при кріпленні гірничих виробок, що використовуються як шахтний геотермальний теплообмінник для витягання геотермальної енергії масиву гірських порід і передачі її теплоносію. Відомий спосіб опорно-анкерного кріплення гірничих виробок (патент України на корисну модель № 45341, МПК E21D 11/00, E21D 13/00, опубл. 10.11.2009, бюл. № 21), що включає буріння шпурів по контуру, встановлення ампул зі смолою та закріплювачем у шпурі, змішування смоли і закріплювача у шпурах за допомогою анкерних штанг та утримання їх у шпурах до схоплювання закріплювача, закручення та підтискання опорних шайб до контуру виробки зі створенням в анкерних штангах, які встановлені у боках та покрівлі виробки, початкового натягнення. Аналог не дозволяє досягти ефективного перенесення теплоти з глибини гірського масиву до стінки виробки і передачі її теплоносію, що обумовлене невисоким коефіцієнтом теплопровідності закріплюючих композицій, близьким до коефіцієнта теплопровідності гірських порід. Найбільш близьким аналогом по технічній суті є спосіб комбінованого кріплення виробки анкерним кріпленням (патент на корисну модель України № 53899, МПК E21D 13/00, опубл. 25.10.2010, бюл. № 20), який включає визначення глибини зони руйнованих порід, буріння шпурів по контуру виробки глибиною, яка дорівнює глибині зони руйнованих порід LM, буріння шпурів по контуру виробки глибиною, яка більша за глибину зони руйнованих порід Lв, встановлення та закріплення анкерного кріплення в шпурах, при цьому глибина шпурів Lв становить не більше 10 м та у шпури глибиною LM встановлюють жорстке анкерне кріплення, а у шпури глибиною Lв - податливе анкерне кріплення. Найбільш близький аналог не дозволяє забезпечити ефективне перенесення теплоти з глибини гірського масиву до стінки виробки і передачі її теплоносію, що обумовлене невисоким коефіцієнтом теплопровідності закріплюючих композий, близьким до коефіцієнта теплопровідності гірських порід. Крім того, зруйновані гірські породи відрізняються підвищеною тріщинуватістю. Оскільки тріщини заповнені газоповітряною сумішшю, теплопровідність якої набагато нижче теплопровідності гірських порід, теплоперенос з масиву гірських порід до стінки виробки утруднений, що веде до перерозподілу тепла в гірському масиві і зниження ефективності його передачі теплоносію. Загальними ознаками найбільш близького аналога та способу, що заявляють, є: - визначення глибини зони руйнованих порід; - буріння шпурів по контуру виробки глибиною, яка більша за глибину зони руйнованих порід; - встановлення та закріплення анкерного кріплення в шпурах; - закручення та підтискання опорних шайб до контуру виробки. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу анкерного кріплення виробки, в якому на ділянці зруйнованих порід шпур бурять діаметром не менше двох діаметрів анкера, після закріплення анкера зазор між ним і стінкою шпуру заповнюють теплопровідним наповнювачем і встановлюють теплообмін з повітрям виробки за допомогою опорної шайбирадіатора, чим забезпечується досягнення технічного результату - збільшення коефіцієнта теплопровідності гірських порід, що вміщають виробку-канал, що дозволяє збільшити ефективність передачі тепла з масиву гірських порід теплоносія. Поставлена задача вирішується тим, що у способі анкерного кріплення виробки, що включає визначення глибини зони руйнованих порід, буріння шпурів по контуру виробки глибиною, яка більша за глибину зони руйнованих порід, встановлення та закріплення анкерного кріплення в шпурах, закручення та підтискання опорних шайб до контуру виробки, в якому, відповідно до винаходу, на ділянці зруйнованих порід шпур бурять діаметром не менше двох діаметрів анкера, після закріплення анкера зазор між ним і стінкою шпуру заповнюють теплопровідним наповнювачем і встановлюють теплообмін з повітрям виробки за допомогою опорної шайбирадіатора. Вказані ознаки складають суть винаходу, так як вони є необхідними та достатніми для досягнення технічного результату - збільшення коефіцієнта теплопровідності зруйнованих гірських порід, закріплених анкерами, що дозволить збільшити ефективність передачі тепла з масиву гірських порід теплоносію. Причинно-наслідковий зв'язок ознак, які складають суть винаходу, із технічним результатом, що досягається, пояснює наступне. Приклад. Суть запропонованого винаходу пояснюється прикладом конкретного виконання способу, де на Фіг. 1 показаний поперечний переріз виробки у місці буріння шпурів, на Фіг. 2 конструкція анкера, де 1 - підготовча виробка; 2 - породний масив; 3 - анкер; 4 - теплопровідний 1 UA 102020 C2 наповнювач шпуру; 5 - опорна шайба; 6 - гайка; 7 - швидкотвердіючий склад; D2 D2, D3 діаметри, відповідно, анкера, шпуру в замковій частині, шпуру в теплопровідній частині; Iш , Iz , 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 It - довжина, відповідно, шпуру, замкової і теплопровідної частин шпуру. Кріплення виробки анкерним кріпленням здійснювали у такий спосіб. Пластова підготовча виробка 1 розмірами В = 5,0 м та Н =3,0 м проходилась на глибині 1000 м у породах зі середньозваженою міцністю R=30 МПа за допомогою прохідницького комбайна. Вміщуючі породи були представлені піщаником з середнім коефіцієнтом теплопровідності в п = 3,4 вт/(м·град.), їх температура складала 42 °C. Збільшення ефективності передачі тепла з масиву гірських порід контролювали по температурі опорної шайби 5. При кріпленні виробки звичайним способом її температура складала 29 °C. Спочатку аналітично розрахували глибини зони руйнованих порід It замкової частини, Iz та шпуру у цілому Iш . Глибина зони руйнованих порід за розрахунками склала, It = 2,6 м, замкової частини Iz = 2,4 м та шпуру у цілому Iш = 5,0 м. Потім бурили по контуру виробки 1 в породний масив 2 чотири шпури глибиною Iш = 5,0 м і з діаметром D2=36 мм. Діаметр анкера 3 дорівнював D1=25 мм. Шпури № 1 і № 2 використовували у такому вигляді. Шпури № 3 і № 4 розбурювали на глибину l t , до діаметра D3, причому діаметр теплопровідної частини шпуру був не менше двох діаметрів анкера 3 D3  2D1: шпур № 3-D3=50 мм; шпур № 4-D3=72 мм. При виконанні цієї умови зростання теплового потоку через систему "анкер - наповнювач" в порожнину виробки найбільш значний. Після цього шпур № 1 заповнювали на всю довжину ампулами 7 із смолою і закріплювачем, за допомогою анкера 3 перемішували їх і закріплювали. Його використовували як еталон. У останні шпури ампули 7 із смолою і закріплювачем поміщали лише на довжину замкової частини і закріплювали анкер 3. Одночасно з цим готували теплопровідний наповнювач 4 з коефіцієнтом теплопровідності  t = 22,5 вт/(м·град.). Як наповнювач використовували суміш бентонітової глини і порошкоподібного графіту. Заздалегідь змішували сухі компоненти суміші в співвідношенні 4:1 по масі, що визначає необхідну величину коефіцієнта теплопровідності. Потім зачиняли суху суміш водою до консистенції у вигляді густої суспензії і, не даючи глині розбухати, нагнітали шламовим насосом в теплопровідну частину шпурів № 2, № 3 та № 4. Потім здійснювали установку опорної шайби 5 між стінкою виробки 1 і гайкою 6, закручення та підтискання опорних шайб 5 до контуру виробки 1. Для кращого теплообміну між системою "анкер - наповнювач" і повітрям в порожнині виробки 1, опорна шайба 5 була виконана з металу як радіатор - деталь з розвиненою зовнішньою поверхнею, що поліпшило теплопровідні властивості останньої і сприяло інтенсифікації кондуктивного теплообміну між системою "анкер - наповнювач" і теплоносієм шахтного геотермального теплообмінника. Замкова частина анкера 3 розташовувалася за межами тріщинуватої області, що оточує виробку 1, тобто в області температур гірського масиву. Анкер 3 був провідником теплової енергії, інтенсивно проводячи її в ділянку знижених температур в порожнину виробки 1. Потужність теплового потоку прямо пропорційна площі перерізу провідного каналу. Проте з точки зору економії металу використовувати анкери великого перерізу нераціонально. Тому застосовували комбіновані пристрої, які поєднують несучі стрижні з міцних матеріалів і теплопровідні елементи, які їх оточують, що мають допоміжне значення для несучої конструкції, а також забезпечують підвищену теплопровідність. Після твердіння теплопровідної суміші довкола анкерів 3 в шпурах № 2, № 3, № 4 утворилися зони з підвищеною теплопровідністю. Далі витримували кріплення одну добу і контролювали температуру опорної шайби 5. За наявності такого кріплення гірничої виробки 1 основний потік теплової енергії надходив до границі теплообміну через анкерну систему, і температура опорної шайби 5 збільшувалася в порівнянні з еталонним кріпленням шпура № 1. Найбільш інтенсивне зростання теплового потоку, а отже і температури, спостерігалося при діаметрі шпуру в теплопровідній частині D3, не менше ніж в два рази більшому діаметра D1 тіла анкера 3. Потужність теплового потоку Q, Дж/с, передаваного через такі анкерні системи, визначалася згідно з формулою: T 2 2 2 Q/ t     D1  a   t D3  D1 , (1) 4  lt де T - зміна температури на опорній шайбі, °C; l t - глибина зони руйнованих порід, м; t - час, с;  55   2 UA 102020 C2  a ,  t - коефіцієнт теплопровідності, відповідно, анкера 3 і теплопровідного наповнювача 4, вт/(м·K); D1, D3 - діаметри, відповідно, анкера 3 і шпуру в теплопровідній частині. Результати шахтного експерименту зведені в таблицю. 5 Таблиця Зміна температури опорної шайби залежно від діаметра шпуру з теплопровідним наповнювачем № шпуру D3, mm Q/t, Дж/с 36 (без теплопровідного 1 0,213 наповнювача) 2 36 (з теплопровідним наповнювачем) 0,225 3 50 0,279 4 72 0,451 10 Тш, °C ∆ТШ, °C ∆Q/t, Дж/с ±% 29 31 37 42 2 8 13 0,012 0,066 0,238 +5,63 +30,99 +111,7 Таким чином, використання пропонованого способу забезпечує вдосконалення способу анкерного кріплення виробки, в якому за рахунок буріння на ділянці зруйнованих порід шпурів діаметром не менше двох діаметрів анкера, заповнення зазору між ним і стінкою шпуру теплопровідним наповнювачем після закріплення анкера і установки опорної шайби, що має розгалужену поверхню для теплообміну з повітрям виробки, забезпечується досягнення технічного результату - збільшення коефіцієнта теплопровідності гірських порід, які вміщають виробку-канал, що дозволяє збільшити ефективність передачі тепла з масиву гірських порід теплоносію. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 Спосіб анкерного кріплення виробки, що включає визначення глибини зони руйнованих порід, буріння шпурів по контуру виробки глибиною, яка більша за глибину зони руйнованих порід, встановлення та закріплення анкерного кріплення в шпурах, закручення та підтискання опорних шайб до контуру виробки, який відрізняється тим, що на ділянці зруйнованих порід шпур бурять діаметром не менше двох діаметрів анкера, після закріплення анкера зазор між ним і стінкою шпуру заповнюють теплопровідним наповнювачем і встановлюють теплообмін з повітрям виробки за допомогою опорної шайби-радіатора. 3 UA 102020 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4