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

Реферат: Спосіб охорони виїмкових виробок у шаруватих породах підошви, схильних до здимання, включає послідовну 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 довколишній міцний шар порід підошви із кроком, кратним кроку установки рам основного кріплення. UA 74676 U (54) СПОСІБ ОХОРОНИ ВИЇМКОВИХ ВИРОБОК У ШАРУВАТИХ ПОРОДАХ ПІДОШВИ, СХИЛЬНИХ ДО ЗДИМАННЯ UA 74676 U UA 74676 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель 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, кл. E21D11/14, 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, приводить 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, визиваючи інтенсивне здимання підошви у порожнину виробки. Найбільш близьким аналогом пропонованої корисної моделі є спосіб охорони виїмкових виробок (RU, № 2103514 СІ, кл. E21D11/14, 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, приводить до вдавлення стояків в підошву, з подальшим розшаруванням. 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 цілику 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 призводить до вигину міцного шару порід підошви та утворення породної складки з подальшим її розломом й зсувом її у порожнину виробки, визиваючи інтенсивне здимання підошви. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення способу охорони виїмкових виробок у шаруватих породах підошви, схильних до здимання, у якому за рахунок одночасного упорно-силового впливу безпосередньо на довколишній міцний шар підошви по довжині виробки й з боку виробленого простору з регламентацією залежно від напруженодеформованого 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 корисної моделі встановлення опорного елемента здійснюють з несучою здатністю й площею основи, обумовлених з наступних залежностей: Nоп.ел   ст.оп.ел k ст.оп.ел k H k 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: H , k H  k конц cp.пор де k конц - коефіцієнт концентрації підвищеного гірського тиску; 1 UA 74676 U 3  - середньозважена питома вага вміщуючих порід, т/м ; Н - глибина розташування гірничої виробки, м;  cp.пор - середньозважена міцність вміщуючих порід, МПа; k оп.ел - запас міцності опорного елемента, визначений за формулою: 5 10 15 20  cт.к mк   ст.пmп ,  ст.оп.ел (mк  mп ) де cт.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  Роп.ел. / k c вт.п 2 де Sоп.ел - площа основи опорного елемента, м ; Роп.ел - допустиме навантаження на опорний елемент, МН; k c - коефіцієнт структурного послаблення порід підошви; в т.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, визначених з наступних залежностей: L анк  Iв ир  Iм.ш.  Iох.ср,     arccos(mслб / Iох.ср ) , k оп.ел.  де L анк - довжина встановлення анкерів, м, Iв ир - довжина виступаючої частини анкера у виробку, м; Iм.ш. - довжина частини анкера, що забурюють в довколишній міцний шар підошви, м; Iох.ср - довжина частини анкера, що перекриває охоронне спорудження, м, визначається за формулою: 25 Iох.ср  mслб2  (акр  bох.ср )2 , де mслб - товщина слабкого шару порід підошви, м; акр - відстань від основного кріплення до охоронного спорудження, м; 30 35 40 45 b ох.ср - ширина охоронного спорудження, м;  - кут нахилу встановлення анкерів, град.;  - кут залягання порід, град. Суть корисної моделі 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 наступним чином. 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, визначених з наступних залежностей: L анк  Iв ир  Iм.ш  Iох.ср, Iох.ср  mслб2  (акр  bох.ср )2 ,     arccos(mслб / Iох.ср ) , 2 UA 74676 U при цьому значення параметрів ( mслб , акр , b ох.ср , 1в ир , 1м.ш , 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55  ) вхідних у наведені залежності попередньо одержують по даних геолого-маркшейдерської та технологічної служб шахти. 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 корисної моделі, вибираються з врахуванням напруженодеформованого стану, міцності й літологічної особливості вміщуючих порід, обумовлених з наступних залежностей: Nст.оп.елk ст.оп.елk Hk оп.у л, S оп.ел  Р оп.ел / k c в т.п ,  m  ст.пmп H , ,k оп.ел  ст.к к cр.пор. ст.оп.ел (mк  mп ) при цьому вхідні в наведені залежності змінні параметри ( ст.оп.ел , k ст.оп.ел , k нонц ,  , Н ,  cр.пор. , ст.к , mк ,  ст.п , mп , k c , Роп.ел , в т.п ) визначають натурно-досвідним шляхом k H  k нонц геолого-маркшейдерською 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 суцільній системі розробки на глибині 860 м. Як основне кріплення застосовували овоїдне кріплення КМП-АЗР2 з перетином у світлі 16,1 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 спостерігався інтенсивний капіж 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, ставився 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 у вигляді утворення породної складки, вершина якої була зрушена убік виробленого простору на 0,8-1,1 м. На видаленні 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 встановив 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 способом. 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 виробки на 0,4 м нижче підошви, 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 3 UA 74676 U службами шахти: Iв ир  0,10 м ; Iм.ш  0,15 м ; mслб  14 м ;  кр  0,4 м ; b ох.ср  136 м ;   9 ; , , Iох.ср  1 42  (0,4  136)2  2,25 м . , , Довжина анкера й кут його встановлення склали: L анк  0,10  0,15  2,25  2,5 м ; 5 10     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 даних геолого-маркшейдерської та технологічної служб шахти:  ср.пор,  46,35 МПа ; k конц  15;   24525 H / м 3 ; Н  860 м; , k H  15 , 24525  860  0,68 46,35  10 6 ст.к  35 МПа ; mк  8,5 м; ст.п  50 МПа ; mп  14 м;  ср.оп.ел,  50 МПа ; , 35  8,5  50  14 ,  0,74 k 50  (8,5  14) , , k ст.оп.ел  0,98; k с  0,24; Роп.ел  137 МН; в т.п  29МПа ; Nоп.ел   cт.оп.ел k Hk оп.ел  50  0,98  0,68  0,74  25МПа ; k оп.ел  15 S оп.ел  Pоп.ел / k c  в т.п  137 / 0,24  29  0,196м 2 . , При цьому основи жорстких опорних елементів бочкоподібного кріплення мали круглу форму, діаметр якого визначали по формулі: 20 25 30 35 40 45 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. D оп.ел  2 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 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 зведенням 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, обумовленими з наступних залежностей: Nоп.ел  ст.оп.ел k ст.оп.ел k H k 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; 4 UA 74676 U k H - коефіцієнт, що характеризує напружено-деформований стан вміщуючих порід, визначений за формулою: H , k H  k конц  cp.пор де k конц - коефіцієнт концентрації підвищеного гірського тиску; 5  - середньозважена питома вага вміщуючих порід, т/м ; H - глибина розташування гірничої виробки, м; cp.пор - середньозважена міцність вміщуючих порід, МПа; 3 k оп.ел - запас міцності опорного елемента, визначений за формулою: cт.к mк  ст.пmп , ст.оп.ел (mк  mп ) де cт.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  Роп.ел. / k c в т.п , де Sоп.ел - площа основи опорного елемента, м; Роп.ел - допустиме навантаження на опорний елемент, МН; k c - коефіцієнт структурного послаблення порід підошви; в т.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, визначених з наступних залежностей: Lанк  Ів ир  Іш  Іох.ср,     arccos(mслб / Іох.ср ) , k оп.ел  10 15 20 25 де L анк - довжина встановлення анкерів, м; Ів ир - довжина виступаючої частини анкера у виробку, м; Іш - довжина частини анкера, що забурюють в довколишній міцний шар підошви, м; Іох.ср - довжина частини анкера, що перекриває охоронне спорудження, м, визначається за формулою: 30 Іох.ср  mслб2  (акр  bох.ср )2 , де mслб - товщина слабкого шару порід підошви, м; акр - відстань від основного кріплення до охоронного спорудження, м; b ох.ср - ширина охоронного спорудження, м; 35  - кут нахилу встановлення анкерів, град.;  - кут залягання порід, град. 5 UA 74676 U Комп’ютерна верстка В. 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 6