Спосіб охорони виїмкових виробок у шаруватих породах підошви, схильних до здимання

Реферат: Спосіб охорони виїмкових виробок у шаруватих породах підошви, схильних до здимання, включає установку уздовж виробки перед зоною підвищеного гірського тиску під рамами основного кріплення стояків підсилювального кріплення й зведенням вслід за очисним вибоєм уздовж виробки з боку виробленого простору охоронного спорудження з опорних елементів. Стояки підсилювального кріплення встановлюють безпосередньо на міцний шар порід підошви із кроком, кратним кроку установки рам основного кріплення. Несучу здатність й площу основи опорних елементів вибирають із врахуванням значень параметрів напружено-деформованого стану, міцності й літологічних особливостей вміщуючих порід. Забезпечується перерозподіл підвищеного гірського тиску у виробці і запобігання утворенню породної складки, розшаруванню й розлому шарів порід у порожнину виробки, що приводить до зменшення загальних зсувів порід підошви. UA 103110 C2 (12) UA 103110 C2 UA 103110 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до гірничої промисловості й може використовуватися в глибоких шахтах для охорони виїмкових виробок у шаруватих породах підошви, схильних до здимання. Відомий спосіб охорони виїмкових виробок (SU 1567786 А1, E21D 11/14, опубл. 30.05.90), що включає формування у підошві виробки поглиблення у вигляді щілини й встановлення уздовж виробки підсилювального кріплення у вигляді парних стояків під рамами основного кріплення у зоні підвищеного гірського тиску. При використанні відомого способу в умовах шаруватих порід підошви, схильних до здимання, формування поглиблення у вигляді щілини у підошві виробки, з встановленням парних стояків безпосередньо на шар слабких порід у зоні підвищеного гірського тиску, призводить до їх розшарування з подальшим зрушенням стояків підсилювального кріплення й вдавленням їх в міцний шар підошви. Це призводить до утворення породної складки у центрі виробки з можливим її розломом, що викликає інтенсивне здимання підошви у порожнину виробки. Найбільш близьким аналогом пропонованого винаходу є спосіб охорони виїмкових виробок (RU 2103514 С1, E21D 11/14, опубл. 27.01.1998), що включає послідовне встановлення уздовж виробки в зоні підвищеного гірського тиску під рамами основного кріплення стояків підсилювального кріплення безпосередньо на підошву й проведення вслід за очисним вибоєм з боку виробленого простору уздовж виробки в породах підошви щілини, з подальшим встановленням охоронного спорудження між основним кріпленням та проведеною щілиною з опорних елементів у вигляді ряду стояків. Використання відомого способу в умовах шаруватих порід підошви, схильних до здимання, у випадку встановлення в виробці стояків підсилювального кріплення безпосередньо на шар слабких порід у зоні підвищеного гірського тиску, призводить до вдавлення стояків в підошву, з подальшим розшаруванням порід підошви. Зведення охоронного спорудження з опорних елементів, без врахування напружено-деформованого стану, міцності й літологічної особливості вміщуючих порід, а також несучої здатності опорних елементів, призводить до роздавлювання породного цілика підошви у виробленому просторі виробки й до втрати несучої здатності опорного елемента зі зрушенням його у проведену щілину з подальшим обваленням порід безпосередньої покрівлі. Це приводить до вигину міцного шару порід підошви та утворенню породної складки з подальшим її розломом й зсувом її у порожнину виробки, що викликає інтенсивне здимання підошви. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення способу охорони виїмкових виробок у шаруватих породах підошви, схильних до здимання, у якому за рахунок одночасного упорносилового впливу безпосередньо на довколишній міцний шар підошви по довжині виробки й з боку виробленого простору з регламентацією залежно від напружено-деформованого стану, міцності й літологічної особливості вміщуючих порід, а також несучої здатності опорних елементів охоронного спорудження, забезпечується перерозподіл підвищеного гірського тиску у виробці й запобігання утворенню породної складки, розшаруванню й розлому шарів порід у порожнину виробки, що приводить до зменшення загальних зсувів порід підошви. Поставлена задача вирішується тим, що в способі охорони виїмкових виробок у шаруватих породах підошви, схильних до здимання, що включає встановлення перед зоною підвищеного гірського тиску уздовж виробки під рамами основного кріплення стояків підсилювального кріплення безпосередньо на довколишній міцний шар підошви із кроком, кратним кроку встановлення рам основного кріплення й зведенням вслід за очисним вибоєм уздовж виробки з боку виробленого простору охоронного спорудження з опорних елементів, відповідно до винаходу встановлення опорного елемента здійснюють з несучою здатністю й площею основи, визначеними з наступних залежностей: Nоп.ел  ст.оп.елk ст.оп.елk Hk оп.ел , 50 де Nоп.ел - несуча здатність опорного елемента, МПа; ст.оп.ел - границя міцності опорного елемента на стискування, МПа; 55 k ст.оп.ел - коефіцієнт стійкості опорного елемента; k H - коефіцієнт, що характеризує напружено-деформований стан вміщуючих порід, визначений за формулою: Н , k H  k конц  ср.пор де k конц - коефіцієнт концентрації підвищеного гірського тиску; 3  - середньозважена питома вага вміщуючих порід, т/м ; 1 UA 103110 C2 Н - глибина розташування гірничої виробки, м; ср.пор - середньозважена міцність вміщуючих порід, МПа; k оп.ел - запас міцності опорного елемента, визначений за формулою: ст.к mк  ст.пmп , ст.оп.ел mк  mп  де  ст.к ,  ст.п - міцність порід безпосередньої покрівлі та підошви на стискування, відповідно, МПа; mк , mп - товщина порід безпосередньої покрівлі та підошви на стискування, відповідно, м; Sоп.ел  Pоп.ел / k c вт.п , 2 де S оп.ел - площа основи опорного елемента, м ; Pоп.ел - допустиме навантаження на опорний елемент, МН; k c - коефіцієнт структурного послаблення порід підошви; вт.п - міцність порід безпосередньої підошви на втискування, МПа; Доцільно при заляганні міцного шару порід нижче підошви виробки стояки підсилювального кріплення встановлювати в попередньо сформовані поглиблення у вигляді лунки. Доцільно при заляганні у підошві виробки слабкого шару порід здійснювати його анкерування перед очисним вибоєм уздовж виробки з встановленням анкерів у бік виробки довжиною й кутом нахилу, визначеними з наступних залежностей: L анк  lвир  lм.ш  lох.ср ,     arccosmслб / lох.ср  , де L анк - довжина встановлення анкерів, м, lвир - довжина виступаючої частини анкера у виробку, м; k оп.ел  5 10 15 20 lм.ш - довжина частини анкера, що забурюють в довколишній міцний шар підошви, м; lох .ср - довжина частини анкера, що перекриває охоронне спорудження, м, визначається за формулою: 2  lох.ср  mслб  акр  bох.ср 25 30 35 40 45 2 , де mслб - товщина слабкого шару порід підошви, м; акр - відстань від основного кріплення до охоронного спорудження, м; bох.ср - ширина охоронного спорудження, м;  - кут нахилу встановлення анкерів, град.;  - кут залягання порід, град. Суть винаходу пояснюється кресленням, на якому представлене загальне зображення виїмкової виробки у шаруватих породах підошви, де: основне кріплення 1, стояк 2 підсилювального кріплення, охоронне спорудження 3 з опорних елементів 4, вироблений простір 5, слабкий шар 6 порід підошви з встановленим анкером 7, міцний шар 8 порід підошви, поглиблення у вигляді лунки 9. Спосіб здійснюють так. У міру просування прохідницького вибою перед зоною підвищеного гірського тиску встановлюють уздовж виробки під рамами основного кріплення 1 стояки підсилювального кріплення 2 безпосередньо на довколишній міцний шар 8 підошви із кроком, кратним кроку встановлення рам основного кріплення. У випадку залягання міцного шару 8 порід нижче підошви виробки стояки підсилювального кріплення встановлюють в попередньо сформовані поглиблення у вигляді лунки 9. При заляганні у підошві виробки слабкого шару 6 порід здійснюють його анкерування перед очисним вибоєм уздовж виробки з встановленням анкерів 7 у бік виробки довжиною й кутом нахилу, визначеними з наступних залежностей: 2  L анк  lвир  lм.ш  lох.ср , lох.ср  mслб  акр  bох.ср   2 ,     arccos mслб / lох.ср , при цьому значення параметрів (m слб, акр, bох.ср, lвиp, lм.ш, ) , що входять у наведені залежності, попередньо одержують по даних геолого-маркшейдерської та технологічної службами шахти. 2 UA 103110 C2 5 Вслід за очисним вибоєм з боку виробленого простору 5 уздовж виробки здійснюють зведення охоронного спорудження 3, що складається з опорних елементів 4, площа основи й несуча здатність яких, відповідно до винаходу, вибираються з врахуванням напруженодеформованого стану, міцності й літологічної особливості вміщуючих порід, обумовлених з наступних залежностей: Nоп.ел  ст.оп.елk ст.оп.елk Hk оп.ел , Sоп.ел  Pоп.ел / k c вт.п ,  m  ст.пmп Н , k оп.ел  ст.к к  ср.пор ст.оп.ел mк  mп  при цьому змінні параметри, що входять в наведені залежності (ст.оп.ел, kст.оп.ел, kконц, , Н, ср.пор, ст.к, mк, ст.п, mп, kс, Роп.ел, вт.п), визначають натурно-дослідним шляхом геологомаркшейдерською й технологічною службами шахти. Приклад. Дослідно-промислова перевірка способу охорони виїмкових виробок була здійснена в умовах шахти ім. Є.Т. Абакумова у конвеєрному штреці при суцільний системи розробки на глибині 860 м. Як основне кріплення застосовували овоїдне кріплення КМП-А3Р2 з перерізом у світлі - 16,1 2 м . Висота виробки при проведенні становила 4,2 м, ширина - 5,5 м. У покрівлі виробки залягав аргіліт товщиною 7,0-10,0 м з межею міцності на стиск 30-40 МПа. Аргіліт темно-сірий, з явно вираженою шаруватістю, із включеннями карбонатних конкрецій, інтенсивно розбитий різнонаправленими тріщинами (10-15 тріщин на 1 п.м), також 3 спостерігалося інтенсивне капання 0,5-1,5 м /год. із тріщинуватої безпосередньої покрівлі шару, що знижує міцність аргіліту. У підошві, по якій пройдена виробка, залягав слабкий шар алевроліту міцністю 40-60 МПа товщиною 1,2-1,6 м. Внаслідок обводнювання підошви шар порід розмокав, ставав нестійкім, схильним до здимання. Нижче по нашаруванню у підошві залягав міцний шар вапняку, міцність якого 100-120 МПа, а товщина - 0,3-0,4 м. Для охорони конвеєрного штреку використовували чуракову перемичку шириною 1,3 м і бутову смугу шириною 7,0 м. Під кожну раму основного кріплення по центру виробки встановлювали стояки підсилювального кріплення з дерев'яних ремонтин. Спостереження за зсувом контуру виробки проводилися до стабілізації гірського тиску. У результаті візуальних й інструментальних спостережень, було встановлено, що з початку експлуатації штреку під впливом підвищеного гірського тиску від діючої лави, відбувалося значне зменшення контуру виробки, в основному за рахунок здимання порід підошви, причому у загальній величині зсувів становила близько 60 %. При цьому по всій довжині конвеєрного штреку спостерігалось нерівномірне здимання порід підошви на величину 0,4-2,2 м, що потребувало періодичного підривання підошви. Здимання порід підошви починалося безпосередньо поблизу прохідницького вибою й у міру просування від нього воно проявлялося як утворення породної складки, вершина якої була зрушена у бік виробленого простору на 0,8-1,1 м. На віддаленні 30 м від лави у верхньому шарі підошви уздовж виробки утворювалася поздовжня тріщина на відстані 0,8-0,9 м з боку виробленого простору, що свідчило про розлом міцного шару вапняку в підошві виробки. Так, якщо на сполученні з лавою зсуву підошви в середньому становив 0,2-0,4 м, а на відстані 25 м за очисним вибоєм - 0,9-1,2 м, то після розлому вапняку на відстані 40 м за лавою величина здимання зростала до 1,9-2,2 м. Для зниження величини здимання порід підошви проводилися заходи згідно з пропонованим способу. Так у конвеєрному штреку перед зоною підвищеного гірського тиску під рамами основного кріплення уздовж виробки послідовно встановлювали металеві стояки підсилювального кріплення на довколишній міцний шар порід підошви із кроком 0,5 м, рівним кроку установки рам основного кріплення. Оскільки міцний шар вапняку залягав на 0,4 м нижче підошви виробки, стояки підсилювального кріплення встановлювали в попередньо сформовані лунки, пробурені на відповідну глибину. Перед очисним вибоєм встановлювали анкери в слабкий шар порід у бік виробки, причому довжину анкера й кут його нахилу визначали за пропонованою залежністю, використовуючи попередньо отримані дані геолого-маркшейдерською й технологічною службами шахти: lвир=0,10 м; lм.ш=0,15 м; mслб=1,4 м; акр=0,4 м; bох.ср=1,36 м; =9°; k H  k конц 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 lох.ср  142  0,4  136   2,25 м . , , 2 3 UA 103110 C2 5 10 15 Довжина анкера й кут його встановлення склали: Lанк=0,10+0,15+2,25=2,5 м; о =+arccos(1,4/2,25)=9 +51,5°=60,5°. Вслід за очисним вибоєм з боку виробленого простору уздовж виробки зводили охоронне спорудження у вигляді бочкоподібного кріплення, що складається з жорстких опорних елементів, несучу здатність й площу основи, яких вибирали з врахуванням значень параметрів напружено-деформованого стану, міцності й літологічної особливості вміщуючих порід, попередньо одержаних по даним геолого-маркшейдерської та технологічної службами шахти: 3 ср.пор=46,35 МПа; kконц=1,5; =24525 Н/м ; Н=860 м; 24525  860 k H  15 ,  0,68 ; 46,35  10 6 cт.к=35 МПа; mк=8,5 м; ст.п=50 МПа; mп=1,4 м; ст.оп.ел=50 МПа; 35  8,5  50  14 , k оп.ел   0,74 ; 50  8,5  1 4 , kст.оп.ел=0,98; kс=0,24; Роп.ел=1,37 МН; вт.п=29 МПа; Noп.ел=ст.оп.елkст.оп.елkНkоп.ел=50×0,98×0,68×0,74=25 МПа; 2 SОп.ел=Роп.ел/kсвт.п=1,37/0,24×29=0,196 м . При цьому основи жорстких опорних елементів бочкоподібного кріплення мали круглу форму, діаметр якого визначали по формулі: S оп.ел 0,196 2  0,5 м .  3,14 Таким чином, у пропонованому способі для даних умов конвеєрного штреку зводили охоронне спорудження, у вигляді бочкоподібного кріплення, що складається з жорстких опорних елементів діаметром 0,5 м та несучою здатністю 25 МПа. Охорону виробки пропонованим способом здійснювали на експериментальній ділянці, де виконували постійне маркшейдерське спостереження за контуром виробки. Візуальними й інструментальними спостереженнями було встановлено, що використання даного способу в зоні підвищеного гірського тиску запобігає утворенню породної складки з розломом у порожнині виробки, а здимання порід підошви на сполученні з лавою в середньому становила 0,1-0,2 м, на відстані 25 м за очисним вибоєм - 0,4-0,6 м і на відстані 40 м за лавою - 0,9-1,2 м. Таким чином величина здимання порід підошви на експериментальній ділянці конвеєрного штреку була в середньому знижена у 2 рази в порівнянні з шахтним варіантом без регламентації залежно від напружено-деформованого стану, міцності й літологічної особливості вміщуючих порід та несучої здатності опорних елементів охоронного спорудження. Dоп.ел  2 20 25 30 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 45 1. Спосіб охорони виїмкових виробок у шаруватих породах підошви, схильних до здимання, що включає послідовну установку уздовж виробки перед зоною підвищеного гірського тиску під рамами основного кріплення стояків підсилювального кріплення й зведення вслід за очисним вибоєм уздовж виробки з боку виробленого простору охоронного спорудження з опорних елементів, який відрізняється тим, що стояки підсилювального кріплення встановлюють безпосередньо на довколишній міцний шар порід підошви із кроком, кратним кроку установки рам основного кріплення, а опорний елемент охоронного спорудження встановлюють з несучою здатністю й площею основи, визначеними з наступних залежностей: Nоп.ел  ст.оп.елk ст.оп.елk Hk оп.ел , де Nоп.ел - несуча здатність опорного елемента, МПа; ст.оп.ел - границя міцності опорного елемента на стискування, МПа; k ст.оп.ел - коефіцієнт стійкості опорного елемента; k H - коефіцієнт, що характеризує напружено-деформований стан вміщуючих порід, визначений за формулою: Н , k H  k конц  ср.пор 50 де k конц - коефіцієнт концентрації підвищеного гірського тиску; 3  - середньозважена питома вага вміщуючих порід, т/м ; 4 UA 103110 C2 Н - глибина розташування гірничої виробки, м; ср.пор - середньозважена міцність вміщуючих порід, МПа; k оп.ел - запас міцності опорного елемента, визначений за формулою: ст.к mк  ст.пmп , ст.оп.ел mк  mп  де  ст.к ,  ст.п - міцність порід безпосередньої покрівлі та підошви на стискування, відповідно, МПа; mк , mп - товщина порід безпосередньої покрівлі та підошви на стискування, відповідно, м; Sоп.ел  Pоп.ел / k c вт.п , 2 де S оп.ел - площа основи опорного елемента, м ; Pоп.ел - допустиме навантаження на опорний елемент, МН; k c - коефіцієнт структурного послаблення порід підошви; вт.п - міцність порід безпосередньої підошви на втискування, МПа. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при заляганні міцного шару порід нижче підошви виробки, стояки підсилювального кріплення встановлюють в попередньо сформовані поглиблення у вигляді лунки. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при заляганні у підошві виробки слабкого шару порід, здійснюють його анкерування перед очисним вибоєм уздовж виробки, з встановленням анкерів у бік виробки довжиною й кутом нахилу, визначеними з наступних залежностей: Lанк  lвир  lм.ш  lох.ср ,     arccos mслб / lох.ср , k оп.ел  5 10 15  20  де L анк - довжина встановлення анкерів, м; lвир - довжина виступаючої частини анкера у виробку, м; lм.ш - довжина частини анкера, що забурюють в довколишній міцний шар підошви, м; lох .ср - довжина частини анкера, що перекриває охоронне спорудження, м, визначається за формулою: 25 2  lох.ср  mслб  акр  bох.ср 2 , де mслб - товщина слабкого шару порід підошви, м; акр - відстань від основного кріплення до охоронного спорудження, м; bох.ср - ширина охоронного спорудження, м; 30  - кут нахилу встановлення анкерів, град.;  - кут залягання порід, град. 5 UA 103110 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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 6