способ крепления горных выработок

Формула изобретения

Способ крепления горных выработок, включающий бурение шпуров в закрепляемый массив, установку в них анкеров и возведение постоянной крепи, причем одни шпуры ориентируют вертикально по центру выработки, другие - наклонно в сторону нетронутого массива, отличающийся тем, что в качестве постоянной крепи используют металлическую многозвенную крепь трапециевидного сечения, каждая рама которой содержит верхняк, стойки, соединительные угловые звенья и скобы с планками и гайками, перед возведением которой в верхняке вначале выполняют, как минимум, три отверстия, из которых одно - центральное, другие - боковые и расположены симметрично относительно центрального отверстия, а затем присоединяют к нему угловые звенья с помощью скоб с гайками и планками, причем бурение шпуров под анкеры осуществляют на месте установки будущей рамы крепи в два приема, при этом вначале бурят вертикальный шпур в кровлю выработки, а после установки в нем анкера, конец которого выступает в выработку и имеет резьбу, начинают возведение рамы крепи, для чего подвешивают верхняк с угловыми звеньями за анкер у кровли выработки путем перемещения его в сторону кровли через центральное отверстие относительно упомянутого конца анкера при навинчивании гайки по резьбе этого конца анкера с оставлением пространства между верхняком и кровлей, далее устанавливают межрамное ограждение из решетчатых затяжек, одни концы которых заводят в упомянутое пространство, а другие концы соединяют с ранее установленными решетчатыми затяжками, после этого продолжают навинчивание гайки по резьбе конца анкера, выступающего в выработку, вплоть до ее упора в верхняк, обеспечивая тем самым прижим верхняка с угловыми звеньями и решетчатых затяжек к кровле выработки, а затем осуществляют бурение шпуров под анкеры через боковые отверстия верхняка и ячейки решетчатых затяжек с наклоном относительно вертикального шпура и в противоположные стороны от него, по мере закрепления упомянутых анкеров в наклонных шпурах устанавливают стойки и соединяют их с угловыми звеньями, ранее присоединенными к верхняку, после возведения рамы крепи с анкерами ее усиливают дополнительной анкерной крепью, для чего в промежутке между вновь установленной и ранее установленной рамами крепи бурят шпуры, ориентируя их в одной поперечной плоскости и наклонно в сторону нетронутого массива, из которых одни шпуры бурят в местах сопряжения кровли с боками выработки, а другие - в бока выработки с последующей установкой решетчатых затяжек на уровне угловых звеньев рамы крепи и анкеров в упомянутые шпуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для крепления подземных горных выработок на глубоких горизонтах в условиях интенсивного смещения горных пород.

Известен способ крепления горных выработок с использованием рамно-анкерной крепи, включающий установку податливых анкеров в шпуры, пробуренные в закрепляемый массив, навешивание планок и внахлестку межрамных стяжек на анкеры и фиксацию их гайками. Затем заводят за планки элементы рамы крепи, располагая места нахлестки против планок. На собранную таким образом раму крепи укладывают затяжки, производят забутовку закрепного пространства и окончательное затягивание гаек, прижимая раму к затяжкам и контуру выработки (1).

Недостатком известного способа является невозможность обеспечения полного взаимодействия рамы крепи и анкера на протяжении всего срока службы крепи. В рассматриваемом способе полное взаимодействие между рамой и анкерами достигается только в период работы анкеров и рамы в податливом режиме.

Однако, когда рама крепи исчерпает свою податливость, она переходит на работу в жестком режиме, а податливые анкера невозможно перевести на работу в жестком режиме, что, в конечном итоге, приводит к увеличению количества устанавливаемых рам крепи и усиливающих анкеров и, соответственно, к снижению эффективности крепления горных выработок.

Причем при реализации данного способа может произойти разбалансировка грузонесущей системы «рама - анкеры» вследствие того, что выступающие в выработку концы анкера могут иметь разную длину, поскольку один анкер связан с планкой и стяжкой и поэтому может осуществлять только подшивку слоев боковых пород, а другой анкер, который связан только с планкой, может быть установлен глубже, чем первый, и осуществлять сшивку слоев боковых пород выработки. В результате нарушается совместная работа рамы и анкеров, что не обеспечивает достижение поставленной цели - повышение несущей способности крепи.

Кроме того, вследствие конструктивной сложности механической связи анкеров с рамами крепи требуются существенные затраты на изготовление и установку такой крепи.

Из изложенного следует, что использование известного способа экономически нецелесообразно при одновременном снижении эксплуатационной надежности крепления горных выработок.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ крепления горных выработок с использованием рамно-анкерной крепи, включающий установку звеньев рамы арочной крепи, бурение шпуров, располагая их по периметру выработки по обе стороны профиля рамы крепи, закрепление в шпурах анкеров с последующей установкой гибкого прижимного устройства на концевые части анкеров, выступающие в выработку, и завинчивание гаек на анкерах с обеспечением прижатия звеньев рамы арочной крепи к стенкам выработки, которым завершается процесс возведения арочной крепи. Причем одни шпуры ориентируют вертикально по центру выработки, другие - наклонно в сторону нетронутого массива вблизи узлов податливости рамы крепи, а анкеры, устанавливаемые в шпуры, использованы с регулируемым сопротивлением (2).

Недостатком данного способа является необходимость постоянного контроля за величиной смещения звеньев в арочной крепи в узлах податливости для того, чтобы произвести изменение (уменьшение или увеличение) сопротивления анкеров в зависимости от прилагаемого к ним усилия. Если такое изменение не будет выполнено вовремя, то ухудшатся условия совместной работы рамы крепи и анкера и, соответственно, снизятся защитные функции рамно-анкерной крепи. В результате возможно расслоение и обрушение пород кровли выработки, особенно в условиях интенсивного их смещения, что приведет к снижению устойчивости выработки и, как следствие, к снижению эффективности работы крепи по данному способу.

Кроме того, для реализации этого способа требуются определенные трудовые и материальные затраты на установку гибкого прижимного устройства в качестве механической связи между рамой крепи и анкерами, поскольку без нее их совместная работа невозможна.

Причем при использовании арочной крепи как многозвенной крепи под действием давления смещающихся пород требуется сохранение сопротивления крепи, которое невозможно без увеличения усилия сжатия элементов крепи в узлах податливости с соответствующим увеличением их металлоемкости, что требует материальных затрат.

Недостатком данного способа является также и то, что крепь, возведенная по этому способу, не может достаточно надежно препятствовать смещению пород кровли в межрамном пространстве выработки, поскольку анкер, работая на растяжение, передает поступательные перемещения заанкерованного слоя пород на механическую связь и, соответственно, на раму крепи, не создавая, таким образом, в достаточной степени сил подпора, чтобы противостоять силам горного давления в этом пространстве.

Следующим недостатком является повышенная опасность установки анкеров, поскольку их располагают по обе стороны рамы крепи непосредственно у забоя, а сама рама в это время еще не расперта между кровлей и почвой, т.е. находится в неработоспособном состоянии.

Таким образом, указанные недостатки снижают эффективность работы крепи и соответственно эффективность использования рассматриваемого способа.

В основу изобретения поставлена задача создать способ крепления горных выработок, который позволил бы повысить эффективность крепления за счет улучшения условий поддержания кровли выработки.

Эта задача решается за счет технического результата, заключающегося в повышении устойчивости выработки, особенно в условиях интенсивного смещения массива горных пород, путем соединения рамы многозвенной крепи с анкерной крепью в единую грузонесущую систему без применения дополнительных механических связей между собой и анкерования вмещающих пород в межрамном пространстве выработки.

Поставленная задача решается тем, что в способе крепления горных выработок, включающем бурение шпуров в закрепляемый массив, установку в них анкеров и возведение постоянной крепи, причем одни шпуры ориентируют вертикально по центру выработки, другие - наклонно в сторону нетронутого массива, согласно изобретению в качестве постоянной крепи используют металлическую многозвенную крепь трапециевидного сечения, каждая рама которой содержит верхняк, стойки, соединительные угловые звенья и скобы с планками и гайками, перед возведением которой в верхняке вначале выполняют, как минимум, три отверстия, из которых одно - центральное, другие - боковые и расположены симметрично относительно центрального отверстия, а затем присоединяют к нему угловые звенья с помощью скоб с гайками и планками, причем бурение шпуров под анкеры осуществляют на месте установки будущей рамы крепи в два приема, при этом вначале бурят вертикальный шпур в кровлю выработки, а после установки в нем анкера, конец которого выступает в выработку и имеет резьбу, начинают возведение рамы крепи, для чего подвешивают верхняк с угловыми звеньями за анкер у кровли выработки путем перемещения его в сторону кровли через центральное отверстие относительно упомянутого конца анкера при навинчивании гайки по резьбе этого конца анкера с оставлением пространства между верхняком и кровлей, далее устанавливают межрамное ограждение из решетчатых затяжек, одни концы которых заводят в упомянутое пространство, а другие концы соединяют с ранее установленными решетчатыми затяжками, после этого продолжают навинчивание гайки по резьбе конца анкера, выступающего в выработку, вплоть до ее упора в верхняк, обеспечивая тем самым прижим верхняка с угловыми звеньями и решетчатых затяжек к кровле выработки, затем осуществляют бурение шпуров под анкеры через боковые отверстия верхняка и ячейки решетчатых затяжек с наклоном относительно вертикального шпура и в противоположные стороны от него, далее устанавливают стойки и соединяют их с угловыми звеньями, ранее присоединенными к верхняку, после возведения рамы крепи с анкерами ее усиливают дополнительной анкерной крепью, для чего в промежутке между вновь установленной и ранее установленной рамами крепи бурят шпуры, ориентируя их в одной поперечной плоскости и наклонно в сторону нетронутого массива, из которых одни шпуры бурят в местах сопряжения кровли с боками выработки, а другие - в бока выработки с последующей установкой решетчатых затяжек на уровне угловых звеньев рамы крепи и анкеров в упомянутые шпуры.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявляемого изобретения. Определение прототипа из перечня выявленных аналогов позволило установить совокупность существенных отличительных признаков в заявляемом изобретении, изложенных в его формуле, по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак «...в качестве постоянной крепи используют металлическую многозвенную крепь трапециевидного сечения, каждая рама которой содержит верхняк, стойки, соединительные угловые звенья и скобы с планками и гайками...» значительно расширяет область применения заявляемого способа, поскольку стало возможно использовать эту крепь для совместной работы с анкерами при креплении выработок трапециевидного сечения.

Однако заявитель, проведя дополнительный поиск известных технических решений, установил, что известен из уровня техники вышеописанный отличительный признак. Это патент РФ № 2083841, кл. Е21D 11/14, 1994 г. (3), согласно которому рама пятизвенной крепи формируется из стоек, верхняка, соединительных угловых звеньев, средств крепления и узлов податливости. Положительным свойством такой крепи является то, что при подходе очистного забоя соединительное звено в месте будущего сопряжения снимается, и стойка легко извлекается, полностью освобождая сопряжения от этих элементов крепи, т.е. достигается поставленная цель - высвобождение сопряжения выработки с очистным забоем от элементов крепи.

Однако под действием перераспределения давления смещающихся пород кровли, которое особенно интенсивно проявляется при подходе очистного забоя, не исключено их обрушение, т.к. в данной крепи отсутствуют средства ее усиления, и, соответственно, она имеет ограниченную несущую способность, что, в свою очередь, снижает устойчивость выработки в дальнейшем при ее эксплуатации.

В заявляемом способе гарантированно упреждается возможность обрушения пород кровли, поскольку в конструкции верхняка крепи предусмотрена возможность оснастить его анкерами, что приводит к увеличению несущей способности рамы, усиленной анкерами, непосредственно связывающими раму с массивом пород, и соответственно к повышению устойчивости выработки.

Из изложенного следует, что рассматриваемый отличительный признак по известному и заявляемому решениям не подтверждает их идентичность, следовательно, и не подтверждается известность влияния этого отличительного признака на указанный заявителем технический результат - повышение устойчивости выработки в условиях интенсивного смещения массива горных пород за счет создания единой грузонесущей системы «рама - анкер» без применения дополнительных связей между ними.

Признаки «...перед возведением которой (рамы крепи) в верхняке вначале выполняют, как минимум, три отверстия, из которых одно - центральное, другие - боковые и расположены симметрично относительно центрального отверстия, а затем присоединяют к нему угловые звенья с помощью скоб с гайками и планками...» предопределяют условия для соединения рамы крепи через верхняк с анкерами.

Признак «...причем бурение шпуров под анкеры осуществляют на месте установки будущей рамы крепи в два приема...» конкретизирует место бурения шпуров под анкеры после подвигания забоя на один проходческий цикл.

Признаки «...при этом вначале бурят вертикальный шпур в кровлю выработки, а после установки в нем анкера, конец которого выступает в выработку и имеет резьбу, начинают возведение рамы крепи...» обеспечивают условия для выполнения операций по установке верхняка крепи у кровли выработки.

Признаки «...для чего подвешивают верхняк с угловыми звеньями за анкер у кровли выработки путем перемещения его в сторону кровли через центральное отверстие относительно упомянутого конца анкера при навинчивании гайки по резьбе этого конца анкера с оставлением пространства между верхняком и кровлей...» регламентируют последовательность выполнения действий для установки верхняка крепи у кровли выработки, под защитой которого в дальнейшем устанавливают наклонные анкеры и формируют раму трапециевидного сечения.

Признаки «...далее устанавливают межрамное ограждение из решетчатых затяжек, одни концы которых заводят в упомянутое пространство, а другие концы соединяют с ранее установленными решетчатыми затяжками...» обеспечивают возможность совместить операции по установке верхняка крепи и межрамного ограждения, как это требуется по правилам техники безопасности при креплении горных выработок.

Признаки «...после этого продолжают навинчивание гайки по резьбе конца анкера, выступающего в выработку, вплоть до ее упора в верхняк, обеспечивая тем самым прижим верхняка с угловыми звеньями и решетчатых затяжек к кровле выработки...» обеспечивают прижим верхняка к кровле, под защитой которого выполняют последующие операции по возведению рамы крепи и анкеров, что повышает технику безопасности работающих. Эти признаки определяют завершение первого приема работ по бурению вертикального шпура под анкер с последующей подвеской за нем верхняка.

Признаки «...а затем осуществляют бурение шпуров под анкеры через боковые отверстия верхняка и ячейки решетчатых затяжек с наклоном относительно вертикального шпура и в противоположные стороны от него...» необходимы для завершения второго приема бурения шпуров, который совместно с первым позволил установить анкеры в кровлю выработки на месте установки рамы крепи.

Признак «...далее устанавливают стойки и соединяют их с угловыми звеньями, ранее присоединенными к верхняку...» позволяет завершить процесс возведения рамы крепи и анкеров, причем стойки выполняют оградительную функцию против обрушения боковых пород. Признак необходим для выполнения формулы изобретения.

Такой принцип соединения рамы крепи с анкерами позволяет образовать в кровле выработки единую грузонесущую систему без наличия дополнительной связи, что улучшает условия их взаимодействия, т.к. анкеры совместно с рамой крепи устанавливают в одной поперечной плоскости, следовательно, их суммарное сопротивление силам горного давления позволит увеличить в целом сопротивление этой комбинированной крепи. В результате такой связи значительно снижается воздействие силовых нагрузок со стороны пород кровли и, как следствие, деформация крепи, что улучшает условия поддержания кровли выработки.

Признак «...после возведения рамы крепи ее усиливают дополнительной анкерной крепью...» предопределяет улучшенные условия поддержания кровли в межрамном пространстве.

Признаки «...для чего в промежутке между вновь установленной и ранее установленной рамами крепи бурят шпуры, ориентируя их в одной поперечной плоскости и наклонно в сторону нетронутого массива, из которых одни шпуры бурят в местах сопряжения кровли с боками выработки, а другие - в бока выработки с последующей установкой решетчатых затяжек на уровне угловых звеньев рамы крепи и анкеров в упомянутые шпуры» обеспечивают заблаговременно скрепление слоев боковых пород на некотором расстоянии от выработки в глубине нетронутого массива и, соответственно, опережающее их упрочнение, что предотвращает возможность расслоения и обрушения вмещающих пород и, как следствие, повышает устойчивость выработки. В конечном итоге улучшается эксплуатационное состояние выработки, что особенно важно в условиях интенсивного смещения горных пород в зоне влияния очистных работ.

Таким образом, совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого способа, позволила повысить устойчивость выработки за счет улучшения условий поддержания горной выработки, особенно в условиях интенсивного смещения массива горных пород, и, соответственно, эффективность крепления выработки.

Из изложенного следует, что существенные признаки заявляемого изобретения находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом и из анализа уровня техники в данной области не очевидны явным образом для специалиста, что характеризует изобретательский уровень заявляемого технического решения.

Промышленная применимость настоящего изобретения обосновывается нижеприведенным описанием и чертежами.

Сущность заявляемого способа поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена горная выработка, крепление которой осуществляется по предлагаемому способу, вид в плане (решетчатая затяжка условно не показана); на фиг.2 - разрез по А-А на фиг 1 (показана выработка, в забое которой подвешен верхняк с угловыми звеньями за центральный анкер); на фиг.3 - то же, что на фиг.2, поперечный разрез выработки (показана операция подвески верхняка к кровле с образованием пространства между ними); на фиг.4 - фрагмент выработки, когда верхняк прижат к кровле после установки решетчатых затяжек; на фиг.5 - фрагмент выработки, в кровле которой, кроме центрального анкера, установлены наклонные анкеры; на фиг.6 - разрез по Б-Б на фиг.1 (показана выработка в поперечном сечении, закрепленная рамной крепью и заанкерованная в кровле и в межрамном пространстве).

Способ крепления горных выработок осуществляется следующим образом.

Горная выработка 1 проводится с помощью серийного оборудования, например проходческого комбайна, по пласту угля с подрывкой боковых пород известным способом.

В качестве постоянной крепи используют металлическую многозвенную крепь трапециевидного сечения, содержащую пять элементов в раме 2. Каждая рама 2 содержит верхняк 3, две стойки 4, соединительные угловые звенья 5 и скобы 6 с гайками 7 и планками 8.

Вначале перед возведением рамы 2 в верхняке 3 выполняют, как минимум, три отверстия 9, 10 и 11, из которых отверстие 9-центральное, другие отверстия 10 и 11 - боковые и расположены симметрично относительно центрального отверстия 9, а затем присоединяют к верхняку 3 угловые звенья 5 с помощью скоб 6 с гайками 7 и планками 8.

По мере подвигания проходческого забоя 12 на шаг установки рамы крепи осуществляют бурение шпуров под анкеры в закрепляемый массив на месте установки будущей рамы 2 крепи в два приема. Первый прием заключается в том, что вначале бурят вертикальный шпур 13 в кровлю выработки, а после установки в нем анкера 14, конец 15 которого выступает в выработку 1 и имеет резьбу, начинают возведение рамы 2 крепи (фиг.1 и 2).

Для чего подвешивают верхняк 3 с угловыми звеньями 5 за анкер 14 у кровли выработки 1 путем перемещения его в сторону кровли через центральное отверстие 9 относительно упомянутого конца 15 анкера 14 при навинчивании гайки 16 по резьбе этого конца анкера 14 с оставлением пространства 17 между верхняком 3 и кровлей выработки 1 (фиг.3).

После этого устанавливают межрамное ограждение из решетчатых затяжек 18, соединяемых между собой вдоль продольной оси выработки 1, одни концы которых заводят в пространство 17, а другие концы с помощью, например, крюков на них, зацепляют к ранее установленным решетчатым затяжкам 18 (фиг.4).

Далее продолжают навинчивание гайки 16 по резьбе конца 15 анкера 14, выступающего в выработку 1, вплоть до ее упора в верхняк 3, обеспечивая тем самым прижим верхняка 3 с угловыми звеньями 5 и решетчатых затяжек 18 к кровле выработки 1. На этом операция по выполнению первого приема бурения центрального шпура 13 в кровлю выработки 1 завершена.

Затем приступают к выполнению второго приема бурения шпуров. Для чего осуществляют бурение шпуров 19 и 20 под анкеры 21 и 22 соответственно через боковые отверстия 10 и 11 верхняка 3 и ячейки решетчатых затяжек 18 с наклоном относительно вертикального шпура 13 и в противоположные стороны от него (фиг.5).

По окончании закрепления анкеров 21 и 22 в наклонных шпурах 19 и 20 устанавливают две стойки 4 и соединяют их с угловыми звеньями 5 с помощью скоб 6 с гайками 7 и планками 8, ранее присоединенными к верхняку 3.

После возведения рамы 2 постоянной крепи трапециевидного сечения совместно с анкерами 14, 21 и 22 ее усиливают дополнительной анкерной крепью.

Для чего в промежутке между вновь установленной и ранее установленной рамами 2 крепи бурят шпуры 23, 24 и 25, 26, ориентируя их в одной поперечной плоскости и наклонно в сторону нетронутого массива. Причем шпуры 23 и 24 бурят в местах сопряжения кровли с боками выработки, а шпуры 25 и 26 - в бока выработки с последующей установкой решетчатых затяжек 27 на уровне угловых звеньев 5 рамы 2 крепи и анкеров 28, 29 и 30, 31 соответственно в упомянутые шпуры 23, 24 и 25, 26 (фиг.6).

Установку анкеров 14, 21, 22 и 28, 29, 30, 31 осуществляют под опорный элемент 32 по известной технологии. Принятая технология возведения постоянной крепи-рамы совместно с анкерами позволяет образовать единую грузонесущую систему без наличия дополнительных механических связей между рамой и анкерами, что улучшает условия их взаимодействия во все периоды перераспределения нагрузок на крепь за счет того, что заблаговременно скреплены слои вмещающих пород, и, соответственно, нагрузка на рамную крепь передается на порядок меньше, чем по прототипу (2).

За счет дополнительного анкерования в межрамном пространстве вмещающих пород достигается опережающее их упрочнение, улучшая условия поддержания выработки во время ее эксплуатации.

Таким образом, использование заявляемого способа позволит за счет предотвращения расслоения и обрушения вмещающих пород, обусловленного опережающим их упрочненном, повысить устойчивость выработки, что особенно важно в условиях интенсивного смещения массива горных пород и, соответственно, эффективность крепления, обеспечивающая работоспособное состояние горной выработки при ее эксплуатации, т.е. достигается решение поставленной задачи.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания изобретения

1. Авторское свидетельство СССР № 1125378, кл. Е21D 11/14, 1983.

2. Авторское свидетельство СССР № 1783118, кл. Е21D 11/14, 1990 (прототип).

3. Патент Российской Федерации № 2083841, кл. Е21D 11/14, 1994.