способ сооружения горной выработки (варианты)

Формула изобретения

1. Способ сооружения горной выработки, преимущественно большой площади сечения, включающий разрушение массива горных пород и поддержание обнаженной площади кровли выработки путем установки крепи, отличающийся тем, что предварительно исследуют строение пород кровли выработки путем определения количества слоев на высоту, равную не менее половины ширины проводимой выработки, а также мощности и крепости каждого из этих слоев, затем по полученным данным вычисляют их средние значения и рассчитывают величину площади устойчивого обнажения пород кровли S_у, при которой не происходит их расслоение, по формуле

S_у = 0,316f^1,6m_сл^0,17,

где f - средневзвешенная крепость пород кровли по шкале проф. М.М.Протодьяконова;

m_сл - усредненная мощность слоя пород кровли, м,

полученную величину S_у сравнивают с проектной величиной площади обнажения кровли выработки S_пр за одну заходку, равной В х Н, где В - проектная ширина выработки, м, Н - проектная глубина заходки, м, при этом, если S_у S_пр, делают вывод об устойчивости обнажения пород кровли выработки, тогда разрушение массива горных пород производят одной заходкой, ширина В и глубина Н которой соответствуют проектным величинам.

2. Способ сооружения горной выработки, преимущественно большой площади сечения, включающий разрушение массива горных пород и поддержание обнаженной площади кровли выработки путем установки крепи, отличающийся тем, что предварительно исследуют строение пород кровли выработки путем определения количества слоев на высоту, равную не менее половины ширины проводимой выработки, а также мощности и крепости каждого из этих слоев, затем по полученным данным вычисляют их средние значения и рассчитывают величину площади устойчивого обнажения пород кровли S_у, при которой не происходит их расслоение, по формуле

S_у = 0,316f^1,6 m_сл^0,17,

где f - средневзвешенная крепость пород кровли по шкале проф. М.М.Протодьяконова;

m_сл - усредненная мощность слоя пород кровли, м,

полученную величину S_у сравнивают с проектной величиной площади обнажения кровли выработки S_пр за одну заходку, равной В х Н, где В - проектная ширина выработки, м, Н - проектная глубина заходки, м, при этом, если S_у < S_пр, делают вывод о неустойчивости пород кровли выработки, склонных к расслоению и обрушению, тогда разрушение массива горных пород производят двумя заходками, причем ширину В₁ первой заходки принимают меньшей, чем проектная ширина В выработки, и такой, чтобы обеспечить глубину Н₁ этой заходки, равную не менее шага установки крепи и определяемую из выражения S_у/В₁, а ширину В₂ второй заходки определяют как разницу между проектной шириной В выработки и шириной В¹ первой заходки, в дальнейшем в процессе сооружения горной выработки действия по определению величины площади устойчивого обнажения пород кровли S_у и соответственно ширины и глубины заходки повторяют либо при интенсификации процесса расслоения и обрушения пород кровли, либо при изменении строения пород кровли, выявленном по результатам контрольных замеров.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам проведения и крепления горных выработок большой площади сечения с применением крепи независимо от ее конструкции и типа.

Известен способ крепления горных выработок, включающий проведение опережающей выработки сечением, меньшим проектного сечения проводимой выработки, бурение шпуров из опережающей выработки впереди забоя проводимой выработки с наклоном от ее продольной оси, установку анкеров с последующим добором сечения проводимой выработки до ее проектного контура, при этом шпуры под анкеры бурят в кровлю проводимой выработки в местах сопряжения вертикальных стенок опережающей выработки с кровлей, причем опережающую выработку выполняют на полную высоту проводимой выработки и длиной, равной величине подвигания проходческого забоя за один цикл, при этом после добора сечения проводимой выработки до ее проектного контура возводят постоянно рамную крепь под защитой анкерной крепи с отставанием от проходческого забоя на расстояние, определяемое несущей способностью заанкерованной кровли проводимой выработки (1).

Недостатком известного способа является то, что в случае изменения горно-геологических условий, в частности, структуры вмещающих пород кровли при проведении выработки, параметры опережающей полости (выработки) не корректируются. Такое обстоятельство при реализации данного способа может привести к вывалообразованию вмещающих пород при оформлении опережающей полости и соответственно к снижению устойчивости проводимой выработки.

Кроме того, технологически сложно оформить опережающую полость, а также выполнить операции по креплению ее кровли вследствие стесненных условий в ней.

Следующим недостатком известного способа является ограниченная область его применения, поскольку он не может быть использован для проведения выработок большой площади сечения в условиях больших глубин, например, монтажных камер, из-за сложности формирования проходческого забоя.

Перечисленные недостатки в целом снижают эффективность работ при проведении горной выработки.

Известен также способ сооружения горной выработки, преимущественно большей площади сечения, предусматривающий отбойку горной массы комбайном на полное расчетное сечение (15,9-21,0 м² при прочности пород до 50-80 МПа) и крепление обнаженной поверхности кровли посредством металлической крепи, шаг установки которой соответствует подвиганию проходческого забоя за одну заходку (2).

Недостатком данного способа является оптимизация только части элементов строения пород, поскольку расчетную ширину выработки и ее подвигание за одну заходку принимают с учетом прочности вмещающих пласт пород и только в сечении проводимой выработки, однако при этом не учитывается один из главных элементов структурно-текстурных свойств вмещающих пород, такой как слоистость и крепость пород кровли выработки, который влияет на устойчивое безопасное состояние проводимой выработки, особенно выработки большой площади сечения.

Кроме того, данным способом не предусмотрено определение величины допустимой площади породных обнажении кровли, при которой не происходят расслоение и обрушение вмещающих пород и которая, в свою очередь, влияет на выбор технологии проведения выработки, например, одной или несколькими заходками.

Отсутствует возможность регулирования параметров заходок с целью предупреждения расслоения и обрушения пород кровли и соответственно повышения устойчивости выработок.

Таким образом, указанные недостатки не позволяют эффективно и надежно поддерживать обнаженную поверхность кровли проводимой выработки, особенно выработки, имеющей большую площадь сечения.

В основу изобретения поставлена задача повысить устойчивость выработки за счет предупреждения расслоения пород кровли от действия сил горного давления путем регулирования параметров (ширины и глубины) заходок и их количества, что в конечном итоге повышает эффективность использования заявляемого способа.

Это решается тем, что в известном способе сооружения горной выработки, преимущественно большой площади сечения, включающем разрушение массива горных пород и поддержание обнаженный площади кровли выработки путем установки крепи, согласно изобретению предварительно исследуют строение пород кровли выработки путем определения количества слоев на высоту, равную не менее половины ширины проводимой выработки, а также мощности и крепости каждого из этих слоев, затем по полученным данным вычисляют их среднее значение и рассчитывают величину площади устойчивого обнажения пород кровли S_у, при котором не происходит их расслоение, по формуле

S_у = 0,316f^1,6m_сл^0,17,

где f - средневзвешенная крепость пород кровли по шкале проф. М.М.Протодъяконова;

m_сл - усредненная мощность слоя пород кровли, м.

Полученную величину S_у сравнивают с проектной величиной площади обнажения кровли выработки S_пр за одну заходку, равной BxH, где B - проектная ширина выработки, м; H - проектная глубина заходки, м, и по результатам судят об устойчивости или неустойчивости обнажения пород кровли выработки, при этом, если S_уS_пр, делают вывод об устойчивости обнажения пород кровли выработки, тогда разрушение массива горных пород производят одной заходкой, ширина B и глубина H которой соответствуют проектным величинам, а при S_уS_пр делают вывод о неустойчивости пород кровли выработки, склонных к расслоению и обрушению, тогда разрушение массива горных пород производят двумя заходками, причем ширину B₁ первой заходки принимают меньшей, чем проектная ширина B выработки, и так, чтобы обеспечить глубину H₁ этой заходки, равную не менее шага установки крепи и определяемую из выражения S_у/B₁, а ширину B₂ второй заходки определяют как разницу между проектной шириной B выработки и шириной B₁ первой заходки при соблюдении условия S_уS_пр, в дальнейшем в процессе сооружения горной выработки действия по определению величины площади устойчивого обнажения пород кровли S_у и соответственно ширины и глубины заходки повторяют либо при интенсификации процесса расслоения и обрушения пород кровли, либо при изменении строения пород кровли, выявленном по результатам контрольных замеров.

В сравнении с известным уровнем техник и заявляемый способ за счет оптимизации основных элементов строения пород (крепости и мощности слоев) позволит по полученной зависимости рассчитать величину площади обнажения пород кровли проводимой выработки, обеспечивая возможность предупреждения расслоения и обрушения вмещающих пород кровли, и, как следствие, поддерживать устойчивое безопасное состояние выработки на весь период ее эксплуатации. А это в конечном итоге обеспечивает эффективность работ при использовании заявляемого способа, особенно в условиях больших глубин, значительно действующих сил горного давления и изменения строения пород кровли.

Данный технический результат достигается всей совокупностью существенных признаков.

Докажем существенность отличительных признаков.

Для того чтобы поддерживать выработку в эксплуатационном состоянии, предварительно до формирования ее сечения исследуют структурные элементы строения пород кровли выработки, такие как количество слоев, мощность и крепость каждого слоя, причем данные свойства пород изучают на высоту, равную не менее половины ширины проводимой выработки.

В результате математической обработки данных инструментальных наблюдений установлена зависимость величины площади обнажения пород кровли от структурных свойств пород, при которой не происходит расслоения пород и сохраняется устойчивое их состояние. Она имеет следующий вид:

S_у = 0,316f^1,6m_сл^0,17,

где f - средневзвешенная крепость пород кровли выработки по шкале проф. М.М.Протодъяконова;

m_сл - усредненная мощность слоя пород кровли выработки, м.

Использование вышеприведенного соотношения для выполнения расчета величины площади обнажения пород кровли S_у и сравнение полученной величины S_у с проектной величиной площади обнажения кровли S_пр позволяют судить об устойчивости или неустойчивости пород кровли и выбирать необходимую технологию проведения выработки, а именно проводить ли ее одной заходкой, если S_уS_пр, или двумя заходками, если S_уS_пр.

Причем, при применении второго варианта проведения выработки, чтобы обеспечить устойчивое обнажение пород кровли первой заходки, ее ширину B₁ принимают меньшей, чем проектная ширина B выработки, и такой, чтобы обеспечить глубину H₁ этой заходки, равную не менее шага установки крепи и определяемую из выражения S_у/B₁. Ширину B₂ второй заходки определяют как разницу проектной шириной выработки B и шириной B₁ первой заходки при соблюдении условия S_уS_пр.

Такой подход к оценке степени устойчивости обнажений пород кровли путем определения по вышеприведенной формуле величины площади устойчивого обнажения пород кровли позволяет предупредить расслоение и потери устойчивости породных обнажений в горной выработке.

Регулирование параметров (ширины и глубины) каждой заходки и их количества позволит наиболее эффективно без дополнительных затрат выполнять работы по оформлению проходческого забоя.

Выполнение контрольных замеров строения пород кровли выработки в процессе ее проведения позволит скорректировать величину устойчивого обнажения пород и соответственно обеспечить безопасное состояние выработки.

Известен из уровня техники способ проведения горных выработок большой площади сечения (3), заключающийся в том, что выработку проводят в два приема: сначала на всю ее высоту шириной 3,5 м на одну заходку крепят анкерами, а затем проводят оставшуюся часть выработки шириной 1,5 м и крепят эту заходку также анкерами.

Разрушение массива горных пород отдельными заходками по известному и заявляемому способам не подтверждает их идентичность, поскольку известный способ (3) обладает недостатками, а именно:

- технология проведения выработки не является рациональной (оптимальной) по фактору выбора параметров проходческого цикла - ширины и глубины заходок;

- не проводится предварительная оценка структуры вмещающих пород, однако она необходима для определения степени устойчивости обнажений пород кровли;

- технология проведения выработки выбрана без учета возможной величины площади обнажения пород кровли, не допускающей ее разрушение, что снижает эффективность работ по оформлению проходческого забоя.

Из изложенного следует, что использование известного способа (3) по своему назначению не в состоянии решить поставленную в заявляемом изобретении задачу - повысить устойчивость проводимой выработки зa счет обеспечения возможности предупреждения расслоения и обрушения вмещающих пород.

Таким образом, заявляемый способ позволяет достигнуть технический результат, который явным образом не следует из сведений об известном уровне техники и поэтому изобретение имеет изобретательский уровень.

На фиг. 1 показана схема проведения горной выработки с разрушением массива горных пород одной заходкой; на фиг. 2 - разрез по А-А фиг. 1; на фиг. 3 - то же, что на фиг. 1, с разрушением массива горных пород двумя заходками; на фиг. 4 - разрез по Б-Б фиг. 3.

Реализацию способа сооружения горной выработки начинают с исследования строения пород кровли.

Для чего после засечки выработки 1 в ее кровлю бурят скважину (условно не показано) на высоту L, равную не менее половины ширины выработки 1, с отбором из нее керна и последующим определением по нему количества n слоев 2 пород кровли, мощности m₁, m₂, ..., m_i и крепости f₁, f₂, ..., f_i каждого из этих слоев 2 соответственно.

Далее на основе этих сведений о строении пород кровли выработки 1 вычисляют следующие данные:

f - средневзвешенную крепость пород кровли по шкале проф.М.М. Протодъяконова, определяемую из соотношения и m_сл - усредненную мощность слоя пород кровли, м, определяемую из соотношения

Полученные средние данные f и m_сл используют для оценки устойчивости обнажения пород кровли выработки 1 при ее проведении. Для этого рассчитывают величину площади устойчивого обнажения пород кровли S_у, при которой не происходит их расслоение по формуле S_у = 0,316f^1,6m_сл^0,17.

Кроме того, от величины S_у зависит выбор технологической схемы проведения горной выработки 1. Поэтому перед тем, как выбрать необходимую технологическую схему проведения горной выработки, т.е. производить разрушение массива горных пород одной заходкой на полную ширину выработки или двумя заходками с разделением ширины выработки на две части, чтобы не допустить расслоения обнаженных пород кровли, производят сравнение расчетной величины S_у, определяемой по вышеупомянутой формуле, с проектной величиной площади обнажения кровли выработки S_пр, равной BxH, где B - проектная ширина выработки, м; H - проектная глубина заходки, м. Причем эта величина S_пр регламентируется паспортом проведения и крепления выработки и зависит от шага установки крепи h_кр, которую рассчитывают по инструкции ВНИМИ.

В случае, если условие S_уS_пр выполняется, то делают вывод, что при данной расчетной величине S_у обеспечивается устойчивость обнажаемой поверхности кровли выработки 1, тогда принимают технологическую схему проведения выработки одной заходкой 3, т.е. проводят на проектную ширину B и проектную глубину H заходки, равную h_крk, где h_кр - шаг установки крепи; k - количество рядов крепи с указанным шагом h_кр в одной заходке, k = 1, 2, 3, ..., i. Причем при k=1 глубина заходки H равна одному шагу установки крепи h_кр, а при k>1 глубина находки H равна нескольким шагам установки крепи h_кр. В обоих случаях должно соблюдаться условие S_уS_пр или S_уBH.

Когда расчетная величина площади обнажения кровли S_уS_пр, то, если выбрать технологическую схему проведения горной выработки одной заходки, т.е. разрушать массив горных пород на полную ширину B выработки 1 с глубиной заходки H, равной шагу установки крепи h_кр, тогда обнаженная площадь кровли будет склонна к расслоению и разрушению.

Однако, если проектную площадь обнажения кровли S_пр уменьшить до расчетной величины площади обнажения кровли S_у с целью исключения разрушения пород кровли, тогда невозможно будет возвести крепь в проходческом забое с проектным шагом ее установки, т. к. глубина заходки H меньше расчетной плотности установки крепи. В этом случае принимают технологическую схему проведения горной выработки двумя заходками 4 и 5, которую выполняют следующим образом.

В первой заходке 4 принимают ее ширину B₁ такой, чтобы она была меньше проектной ширины B выработки 1, а ее глубина H₁ была бы равна не енее шага установки крепи h_кр, которую определяют из соотношения S_у/B₁. Ширину B₂ второй заходки 5 определяют как разницу между проектной шириной B выработки и шириной B₁ первой заходки 4 при соблюдении условия S_уS_пр.

После того, как будет принята соответствующая технологическая схема проведения горной выработки - одной или двумя заходками, приступают к выполнению проходческих операций по разрушению массива горных пород в забое, погрузке и транспортировке, а также креплению обнаженной площади кровли выработки 1, например, с применением анкерной крепи 6.

В дальнейшем в процессе сооружения горной выработки 1 действия по определению величины площади устойчивого обнажения кровли S_у и соответственно ширины и глубины заходки повторяют либо при интенсификации процесса расслоения и обрушения пород кровли, либо при изменении строения кровли, выявленном по результатам контрольных замеров.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет определять необходимую площадь обнажения кровли в проходческом забое, при которой не происходят расслоение и обрушение вмещающих пород кровли. Все это позволяет повышать устойчивое состояние выработки на весь период ее эксплуатации. Преимущественная область применения заявляемого изобретения распространяется на выработки большой площади сечения.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания изобретения

1. Патент Российской Федерации N 2042032, кл. E 21 D 20/00, 1992.

2. Технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах. Часть II. Набор модулей и пояснительная записка. - М.: ИГД им. А.А.Скочинского, 1991, с. 4.

3. Механизация проведения подготовительных выработок/Петров А.И., Штумпф Г.Г., Егоров П.В., Архипов Г.Н. - М.: Недра, 1988, с. 84-86.