способ анкерного крепления горных выработок

Формула изобретения

Способ крепления горных выработок, включающий бурение скважин, установку в них гибких анкеров, закрепление их цементирующим материалом по всей длине скважин, отличающийся тем, что анкеры закрепляют за границей контура области неупругих деформаций пород с усилием, уравновешивающим динамические нагрузки в области упругих и неупругих деформаций и статические нагрузки, при этом длину закрепления анкеров за контуром неупругих деформаций пород определяют по формуле

l_у = (Р_{дин.неупр.} + Р_{дин.упр.} + Р_ст)/ d_скв С,

где l_у - длина закрепления анкера за контуром области неупругих деформаций пород, м;

Р_{дин.неупр.} - динамические нагрузки, действующие на анкеры в области неупругих деформаций пород вокруг выработки, кН;

Р_{дин.упр.} - динамические нагрузки, действующие на анкеры в области упругих деформаций пород вокруг выработки, кН;

Р_ст - статические нагрузки на анкер в области неупругих деформаций пород вокруг выработки, кН;

d_скв - диаметр скважины под анкер, м;

С - сцепление цементирующего материала со стенками скважины, кПа,

причем анкеры размещают под углом 40 - 70^o к закрепляемому контуру выработки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам крепления горных выработок анкерной крепью, испытывающих воздействие динамических нагрузок.

Основными источниками динамических нагрузок на выработки и крепи являются массовые взрывы при добыче полезных ископаемых (железных и свинцовых руд, других полезных ископаемых), горные удары, внезапные выбросы полезных ископаемых, вмещающих горных пород и заключенных в них газов и другие.

Под действием динамических нагрузок происходит обычно частичное или полное разрушение известных рамных, монолитных бетонных, сплошных сборных железобетонных и анкерных крепей. Накопленный опыт показывает, что на рудных и угольных шахтах в условиях массовых промышленных взрывов взрывчатых веществ, при горных ударах, внезапных выбросах и других динамических явлениях в массивах горных пород полностью или частично нарушаются десятки километров горных выработок, закрепляемых известными традиционными крепями. Время восстановления нарушенных выработок составляет иногда до 10-14 месяцев, очень велики материальные затраты на восстановительные работы.

Известны способы повышения устойчивости рудного массива по а.с. СССР N 1211119814, кл. E 21 D 20/00, N 1617149, кл. E 21 D 20/00, N 1739044, кл. E 21 D 20/00, сущность которых заключается в бурении из выработанного пространства в рудный массив скважин, установку в них анкеров, выемку предварительно заанкерованной рудной толщи лентами и горизонтальными слоями в восходящем порядке под защитой установленных анкеров. В этих способах не решены вопросы крепления выработок анкерной крепью, испытывающих воздействие существенных динамических нагрузок. Они обеспечивают отработку рудных залежей в восходящем порядке, а не крепление выработок со сложными геодинамическими воздействиями в процессе проходки и эксплуатации.

Известен способ опережающего анкерного крепления при проходке выработок по а. с. СССР N1765441 А1, кл. E 21 D 20/00, согласно которому при проходке выработок бурят наклонные опережающие шпуры в направлении проведения выработки, в конце наклонной части каждого шпура бурят криволинейный участок и далее участок, перпендикулярно направленный к продольной оси выработки. Наклонную часть каждого шпура бурят внутри контура выработки на глубину, равную длине заходки, при этом из наклонной части с интервалом по ее длине бурят ряд дополнительных перпендикулярно направленных участков, а свободную часть используют после установки анкеров для взрывной отбойки породы.

Недостатком способа является отсутствие в нем решения по формированию с помощью анкеров породной толщи вокруг выработки, способной воспринимать динамические нагрузки без проявления опасных деформаций и потери устойчивости, возникающие при разработке полезного ископаемого. Кроме того, способ очень трудоемкий в связи с необходимостью бурения шпуров под крепежные анкеры дугообразно, причем из наклонной части шпуров вертикальную часть шпуров, в которую устанавливают гибкие анкеры (трос, провод) и при необходимости замоноличивают твердеющей смесью. Замоноличивание анкеров в шпурах может производиться лишь после выемки породы очередной заходки.

Известны способы прогноза и борьбы с динамическими проявлениями горного давления в подготовительных и очистных выработках с горными ударами, внезапными выбросами горных пород и газов на рудниках и угольных шахтах по а.с. СССР N 752040, кл. E 21 D 20/00, N 987114, кл. E 21 D 20/00, N 1408085, кл. E 21 D 20/00, N 1523682, кл. E 21 D 20/00, N 1546663, кл. E 21 D 20/00, N 1546645, кл. E 21 D 20/00, N 1719656, кл. E 21 D 20/00, N 2000440, кл. E 21 D 20/00. В них рассматриваются технические решения по разгрузке массива: путем устройства разгрузочных щелей по контуру выработки и переноса с их помощью повышенных напряжений в глубь массива за пределы зоны опорного давления; путем разрушения приконтурных пород буровзрывным способом и формирования вокруг выработок зоны пластических деформаций; путем ускорения процесса снижения напряжений в окружающих породах вибродействием на них (а.с. N 2000440). По а. с. N 1408085 снижение напряжений в удароопасных массивах горных пород достигается путем устройства компенсационных полостей закладочным материалом, причем компенсационные полости формируют на длину зоны максимальных опорных нагрузок.

Во всех этих способах не решены вопросы крепления горных выработок, испытывающих воздействие динамических нагрузок.

Известен способ установки податливого анкера по а.с. СССР N 1472687 A1, кл. E 21 D 20/00, заключающийся в том, что бурят скважину (шпур) и закрепляют в ней анкер посредством основного замка на дне скважины и дополнительно жестко закрепляют его в скважине замком на расстоянии от контура выработки, равном длине узла податливости, при этом длину последнего определяют по формуле



где l_n - длина узла податливости анкера, м;

r₀ - половина ширины выработки, м;

r₁ - расстояние от оси выработки до границы зоны неупругих деформаций пород, м;

|U_n|- предельное удлинение анкерного стержня, мм;

U₀ - смещение контура выработки с учетом отпора анкера, мм;

- угол внутреннего трения массива горных пород, град.;

- параметр, характеризующий степень увеличения максимального главного напряжения с увеличением минимального главного напряжения.

Недостатком способа является то, что он предназначен для крепления выработок анкерной крепью, в которой смещения окружающих пород и формирование нагрузки на анкеры происходят в статическом режиме, а не динамическом, как при массовых взрывах, горных ударах и других геодинамических процессах, оказывающих практически мгновенные силовые воздействия на вмещающие породы и крепь. В условиях действия динамических нагрузок зона неупругих деформаций пород вокруг выработок по своим размерам и состоянию весьма существенно отличается от зоны неупругих деформаций вмещающих пород в условиях воздействия на них статических нагрузок. Недостатком способа является также необходимость закрепления анкера в скважине дополнительным замком на расстоянии от контура выработки, равном длине узла податливости, причем узлом податливости довольно сложной конструкции, включающей стакан, внутреннее пространство которого заполняют вязкой жидкостью. Кроме того, для определения длины узла податливости необходимо знать 6 существенно различных параметров - массива пород, непосредственно крепи, выработки и механических процессов, происходящих во вмещающих породах (смещение контура выработки с учетом отпора анкера и др. ). Наличие узла податливости и необходимость определения 6 параметров для определения его длины обусловливают повышенную трудоемкость установки анкеров в выработке.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ крепления горных выработок железобетонной анкерной крепью (Широков А. П. Теория и практика применения анкерной крепи. - М.: Недра, 1981, с. 44-50 и С. 221-226). Сущность способа заключается в том, что по мере проведения горной выработки в закрепляемой кровле и боках выработки бурят скважины, устанавливают в скважинах анкеры и закрепляют их цементирующим материалом по всей длине скважин.

Недостатком способа является то, что он предназначен для крепления выработок, в которых формирование нагрузки на анкеры происходит в статическом режиме или статическом с некоторым воздействием динамических сил, обусловленных проведением выработок буровзрывным способом с одновременным взрыванием небольшого количества взрывчатых веществ, а не в динамическом режиме, как при массовых промышленных взрывах, горных ударах, внезапных выбросах и других геодинамических процессах, оказывающих практически мгновенные силовые воздействия на вмещающие породы и крепь. В условиях действия повышенных динамических нагрузок зона опасных неупругих деформаций пород вокруг выработок по своим размерам и состоянию весьма существенно отличается от зоны опасных неупругих деформаций вмещающих пород в условиях действия на них лишь статических нагрузок.

В выработках на рудных шахтах, не испытывающих воздействий динамических нагрузок, область неупругих деформаций, расслоения и отделения пород кровли вышележащих толщ обычно не превышает 1-1,5 м и их крепят в основном железобетонными и другими анкерами 1,5-1,8 м.

Этим способом анкерного крепления не может быть обеспечена устойчивость горных выработок, испытывающих воздействия динамических нагрузок.

Задачей заявляемого изобретения является снижение затрат на крепление и поддержание выработок, испытывающих воздействие динамических нагрузок, и повышение их устойчивости.

Решение задачи достигается тем, что в предлагаемом способе, включающем бурение скважин, установку в них анкеров, закрепление их цементирующим материалом по всей длине скважин, анкеры закрепляют за границей контура области неупругих деформаций пород с усилием, уравновешивающим динамические нагрузки в области упругих и неупругих деформаций и статические нагрузки, при этом длину закрепления анкеров за контуром неупругих деформаций пород определяют по формуле



где l_y - длина закрепления анкера за контуром области неупругих деформаций пород, м;

P_{дин.неупр} - динамические нагрузки, действующие на анкера в области неупругих деформаций пород вокруг выработки, кН;

P_{дин.упр} - динамические нагрузки, действующие на анкера в области упругих деформаций пород вокруг выработки, кН;

P_ст - статические нагрузки на анкер в области неупругих деформаций пород вокруг выработки, кН;

d_скв - диаметр скважины под анкер, м;

C - сцепление цементирующего материала со стенками скважины, кПа.

Анкеры размещают под углом 40 - 70^o к закрепляемому контуру выработки.

Предложенный способ обеспечивает по сравнению с прототипом совместную работу пород в области неупругих и упругих деформаций пород вокруг выработки в едином режиме уравновешивания динамических нагрузок в области упругих деформаций и динамических и статических нагрузок в области неупругих деформаций, возникающих и действующих в этих областях, без проявления опасных деформаций и разрушения пород области неупругих деформаций вокруг выработки и потери ее устойчивости.

В заявляемом способе по сравнению с прототипом достигается перемещение разрушающих динамических и статических нагрузок из области опасных неупругих деформаций пород вокруг выработки в глубь массива в область упругих деформаций его, т.е. явно безопасных, на величину, при которой распределяемые и действующие нагрузки (силы) в обеих областях массива не вызывают опасных деформаций пород и нарушения крепи и устойчивости выработки.

Предложенный способ обеспечивает управление динамическими нагрузками на породы вокруг выработок, возникающими при ведении горно-строительных и эксплуатационных работ, при которых они не вызывают опасных деформаций пород и крепи и обеспечивают устойчивое состояние выработок.

Существенным отличительным признаком предложенного способа от прототипа является также размещение анкеров по закрепляемому контуру выработки под углом 40 - 70^o к нему, при котором, как показали специальные лабораторные исследования на моделях из эквивалентных материалов, они воспринимают динамические растягивающие и сдвиговые нагрузки, не превышающие прочность пород в области неупругих деформаций. Такой порядок размещения анкеров по закрепляемому контуру выработки обеспечивает отражение, рассеивание и восприятие анкерами продольных и поперечных волн, которые вызывают обычно наиболее сильные деформации пород в приконтурной области выработки. По данным лабораторных испытаний установка анкеров под углами 40 - 70^o к закрепляемому контуру выработки обеспечивает увеличение восприятия ими динамической нагрузки в 1,4 - 1,6 раза по сравнению с анкерами, установленными по нормали к контуру, т.е. под углом 90^o.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

На фиг. 1 показан поперечный разрез выработки, закрепленной анкерной крепью глубокого заложения; на фиг. 2 - узел А фиг. 1; на фиг. 3 - схема нагружения анкеров статической и динамической составляющими нагрузки.

Способ осуществляют следующим образом.

По мере проведения горной выработки 1 бурят скважины (шпуры) 2 под анкеры 3 по веерной схеме по контуру выработки под углом 40- 70^o к закрепляемому контуру выработки. Скважины бурят с заглублением их в область 4 упругих деформаций пород под воздействием динамических нагрузок, возникающих во вмещающих породах при ведении горно-подготовительных и очистных работ за срок службы выработки. Величину заглубления (l_y) скважин 5 и анкеров в область упругих деформаций пород за контур 6 области неупругих деформаций пород 7 под воздействием динамических и статических нагрузок в ней определяют по вышеприведенной формуле (1). В пробуренные скважины 2 по мере проведения выработки устанавливают анкеры 3 и закрепляют их в заглубленной части скважин 5 в область 4 упругих деформаций пород с усилием (прочностью) P_з.а., уравновешивающим динамические и статические нагрузки, возникающие и действующие в породах вокруг выработки за срок ее службы, т.е. закрепляют их с прочностью

P_з.а. P_{дин.упр.} + P_{дин.неупр} + P_ст, (2)

где P_з.а. - прочность закрепления анкера в области упругих деформаций пород, кН;

P_{дин.упр.} и P_{дин.неупр} - динамические нагрузки, действующие на анкер в области соответственно упругих и неупругих деформаций пород, кН;

P_ст. - статические нагрузки на анкер в области неупругих деформаций пород, кН.

После закрепления анкера в заглубленной части скважины цементирующим материалом, например быстротвердеющим цементным раствором, заполняют скважину по всей длине этим же материалом 8. На контуре выработки анкеры соединяют между собой металлическими стяжками 9 в поперечном и продольном направлениях выработки для повышения эффективности их работы в совместном режиме.

Длину анкера l_a определяют по формуле

l_a = l_неупр. + l_у + l_в, (3)

где l_неупр. - величина (мощность) области неупругих деформаций пород, формирующейся под действием динамических и статических нагрузок, м;

l_у - величина заглубления анкера в область упругих деформаций за контур области неупругих деформаций пород, м;

l_в - длина выступающей внутрь выработки части анкера, м.

Динамические силы (нагрузки), возникающие в породах вокруг горных выработок при массовых промышленных взрывах, горных ударах, внезапных выбросах и при других динамических явлениях, определяют по известным методикам расчета динамических напряжений в породных массивах. Известными расчетными методиками определяют и статическую нагрузку на анкерную крепь подземной горной выработки.

Динамические и статические нагрузки на анкерную крепь могут быть определены и непосредственно в горных выработках в процессе их эксплуатации с помощью известных силоизмерительных приборов, например, механических, электрических, гидравлических и других динамометров с записью показаний непосредственно на месте их установки или дистанционно.

Размеры области 7 неупругих деформаций пород, граница 6 между областью 7 неупругих и областью 4 упругих деформаций пород вокруг выработки определяют предварительно при отработке соседних запасов, столбов с практически такими же условиями, по известным методикам, например, с помощью глубинных реперов, закладываемых в шпуры, пробуренные на различную глубину от контура выработки, или с помощью геофизического (преимущественно акустического) каротажа. Упругие и неупругие деформационные параметры закрепляемых пород в динамическом режиме нагружения, т.е. под воздействием динамических сил, могут быть определены по известным методикам непосредственно в массиве (например, разгрузкой массива, вдавливанием пуансонов в стенки скважин) или путем лабораторных испытаний образцов, отбираемых из скважин, пробуренных из выработки в окружающие породы до воздействия и после воздействия на них динамических нагрузок, характерных для конкретных условий.

Пример осуществления способа с определением расчетным путем длины анкеров, закрепляющих контур горной выработки, подверженной воздействию динамической нагрузки.

Исходные данные.

Площадь сечения выработки в проходке 16 м², ширина выработки 5,5 м; прочность вмещающих пород на сжатие _сж = 40 МПа (400 кгс/см²); коэффициент крепости пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова f = 4, объемный вес пород = 0,025 МН/м³ (2500 кгс/м³); коэффициент структурно-текстурного ослабления пород k_с = 0,5 (расстояние между поверхностями ослабления пород 0,5-0,6 м); анкеры стальные диаметром 22 мм, модуль упругости стали, из которой изготовлены анкеры E_а =210⁵ МПа; диаметр скважин под анкеры d_ск = 43 мм; расстояние между анкерами в ряду a = 1 м, расстояние между рядами анкеров по длине выработки l = 1 м; анкеры в скважинах (длина части их l_у, закрепляемой за контуром области неупругих деформаций пород) закрепляют цементирующим материалом (например, бетоном) с удельным сопротивлением сдвигу их относительно стенок скважины C = 1 МПа (10 кгс/см² = 1010⁴ кгс/м² = 1000 кПа).

По данным ряда испытаний для бетона C = 1 - 1,2 МПа:

1. Определяют нагрузку на анкер со стороны кровли выработки при работе крепи в статическом режиме нагрузки из выражения

P_к = Sh = 11,42500 = 3500 кгс = 35 кН, (1)

где S = al = 11 = 1 м² - площадь, поддерживаемая анкером; = 2500 кгс/м³ - объемный вес пород; h - высота опасных деформаций и возможного вывала пород кровли, м.

Согласно теории М.М. Протодьяконова с учетом коэффициента структурно-текстурного ослабления пород k_c = 0,5 высоту h определяют по формуле



где b = 5,5 м - ширина выработки в проходке; f = 4 - коэффициент крепости пород; k_c = 0,5 - коэффициент структурно-текстурного ослабления пород.

2. Определяют длину анкера при работе крепи в статическом режиме нагрузки

l_a = l_з + h + l_в = 0,4 + 1,4 + 0,2 = 2 м, (3)

где l_з = 0,4 м - длина замковой части анкера, заглубляемой за контур возможного вывала h (по данным многолетней практики l_з = 0,3-0,4 м); l_з = 0,2 м - длина части анкера, выступающей внутрь выработки (соединение анкеров между собой подхватом).

3. Согласно теории механических колебательных движений максимальную нагрузку на анкер P₀, обусловленную действием статической нагрузки P_ст и динамической нагрузки в области неупругих деформаций пород кровли P_{дин.неупр}, определяют по формуле

(4)

(динамическую нагрузку определяют из выражения



где C₀ - жесткость анкерного стержня (рекомендуется определять экспериментально). По данным выполненных лабораторных испытаний для анкеров длиной более 3-3,5 м с учетом неоднородности материала рекомендуется принимать C₀ = 500 кгс/м = 5 кН/м; V_неупр. - скорость продольной волны в опасно деформированной неупругой области, по результатам лабораторных и шахтных испытаний ряда авторов V_неупр. = 200 - 300 м/с в зависимости от степени ослабления и разрушения пород, принимаем V_неупр. = 300 м/с; f_а - частота колебаний анкерного стержня, с^-1



где T - период сейсмических колебаний пород (длительность действия максимальных нагрузок на крепь). По данным инженерно-сейсмической службы T = 0,03-02 с^-1. Принимаем T = 0,05 с^-1.

4. Максимальные нагрузки на анкер с учетом статической нагрузки P_ст, динамической нагрузки P_{дин.неупр} в области неупругих деформаций и динамической нагрузки P_{дин.упр.} в области упругих деформаций пород определяют по формуле



(динамическая нагрузка на анкер в области упругих деформаций пород

определена из выражения



В формуле (6) C₀ = 500 кгс/м - жесткость анкерного стержня; V_y - скорость распространения продольной волны в области упругих деформаций пород. В породах с коэффициентом структурно-текстурного ослабления пород k_c = 0,5 по данным значительного объема шахтных исследований V_у = 2300-2600 м/с. Принимаем V_y = 2500 м/с; f_n - частота собственных колебаний заанкерованной кровли, с^-1; по данным шахтных наблюдений и замеров f_n = (2,5 - 3)f_а. Принимаем f_n = 2,5 f_a = 2,520 = 50 с^-1.

Надежное закрепление анкера в области неупругих деформаций пород обеспечивается при условии

P_за > P_ст + P_{дин.неупр} + P_{дин.упр.}, (7)

т.е. при P_за > 3500 + 3750 + 4595,6 = 11845,6 кгс или P_за > 118,456 кН.

Длину анкера для крепления выработок, подверженных действиям динамических нагрузок l_a определяют из выражения

l_а = l_неупр. + l_у + l_в = h_ст + h_{дин.неупр} + l_у + l_в, (8)

где l_неупр. = h_ст + h_{дин.неупр} - величина (мощность) области неупругих деформаций под действием статической нагрузки P_ст (h_ст) и динамической нагрузки P_{дин.неупр} (h_{дин.неупр}), м; l_у - величина заглубления анкера в область упругих деформаций за контур области неупругих деформаций пород, м; l_в - длина выступающей внутрь выработки части анкера, м.

Величина h_ст = 1,4 [из выражения (2)].

Величину h_{дин.неупр} определяют по формуле

P_{дин.неупр} = S h_{дин.неупр}, (9)

где P_{дин.неупр} = 3750 кгс [из формулы (4)], S = al = 11 = 1 м² - площадь, поддерживаемая одним анкером (из паспорта крепления выработки); = 2500 кгс/м³ - объемный вес закрепляемых пород (исходный показатель условий крепления выработки).

Из формулы (9) находим



Величину l_у определяют по формуле



Необходимая длина анкера для крепления выработки по формуле (8)

l_a = h_ст + h_{дин.неупр} + l_у + l_в = 1,4 + 1,5 + 0,88 + 0,2 = 3,98 м 4 м.

Преимущество предложенного способа крепления горных выработок в условиях действия динамических нагрузок состоит в том, что он обеспечивает совместную работу пород области упругих деформации, т.е. области, которая под действием динамических нагрузок не претерпевает никаких опасных деформаций, и области неупругих, обычно опасных деформаций в едином уравновешенном силовом режиме без проявления опасных деформаций пород вокруг выработки и сохранение ее в устойчивом нормальном эксплуатационном состоянии. Данный способ позволяет резко повысить устойчивость и снизить затраты на крепление и поддержание подземных горных выработок, подверженных действию динамических нагрузок.