способ анкерного крепления горных выработок

Формула изобретения

1. Способ анкерного крепления горных выработок преимущественно в слабых вмещающих породах, включающий бурение шпуров во вмещающие породы выработки и установку в них сталеполимерных анкеров с закреплением их стержней по всей длине шпуров ампулами с твердеющими смесями, имеющими разное время отверждения, отличающийся тем, что после прогнозного определения границы зоны нарушенных вмещающих пород от проведения выработки обеспечивают динамическое воздействие на нарушенные вмещающие породы вокруг выработки в упомянутой зоне в условиях проявления горного давления, для чего бурение шпуров осуществляют перпендикулярно к контуру выработки до границы упомянутой зоны, глубинную часть каждого из которых заполняют ампулами с расширяющейся смесью замедленного отверждения, а оставшуюся часть шпура - ампулами с быстротвердеющими смесями, причем последней в устье шпура устанавливают ампулу с наименьшим временем отверждения быстротвердеющей смеси с постепенным увеличением времени отверждения быстротвердеющей смеси каждой впереди установленной ампулы в этой части шпура относительно последней ампулы, при этом при установке в шпуры анкеров с разрушением в них ампул с упомянутыми твердеющими смесями за счет расширения при отверждении твердеющих смесей ампул по всей длине шпуров с одновременной передачей при этом разного по величине давления на нарушенные вмещающие породы создается заданное силовое воздействие на упомянутые породы с возможностью образования вокруг анкеров породных блоков из укрепленных пород по контуру выработки, сопрягаемых друг с другом боковыми поверхностями, и каждый из которых приобретает форму призмы в поперечном сечении в виде трапеции в плоскости сечения выработки, причем большее основание трапеции ограничено границей зоны нарушенных вмещающих пород, а меньшее ее основание - контуром выработки, при этом в процессе дальнейшего проявления горного давления происходит самозаклинивание упомянутых породных блоков, усиливающее их сжатие между собой, обеспечивая таким образом устойчивое состояние окружающих горную выработку вмещающих пород.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ампулы, размещаемые в глубинной части шпура, имеют время отверждения, равное 60-180 с, а ампулы, размещаемые в остальной части шпура, - в 2-3 раза меньше.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при анкерном креплении горных выработок, преимущественно пройденных в слабых неустойчивых вмещающих породах, склонных к вывалообразованию в форме свода, а также в условиях повышенного горного давления.

Известен сталеполимерный податливый анкер, способ крепления которым горных выработок заключается в следующем. В пробуренный шпур вначале вводят одну - две ампулы с быстротвердеющейся смесью, а затем в чередующем порядке оставшуюся часть шпура заполняют ампулами с медленносхватывающейся смесью и ампулами с инертным материалом. После этого в шпур вводят стержень, одновременно с вращением которого происходит разрушение ампул и перемешивание закрепляющей смеси. Вследствие разного времени схватывания закрепляющих смесей по длине шпура обеспечивается качественное перемешивание этих смесей и соответственно прочное закрепление анкера [1].

Однако при таком способе анкерного крепления горной выработки, хотя и обеспечивается прочное закрепление анкеров и соответственно сжатие разуплотненных пород, в то же время в случае проведения выработок в слабоустойчивых вмещающих породах не исключена возможность прогиба разуплотненных пород между анкерами в сторону выработки вплоть до обрушения вследствие невозможности сжатия анкерами этих пород из-за их повышенной трещиноватости. В связи с этим требуется проведение дополнительных мер (например применить густую сетку расположения анкеров) по укреплению разуплотненных пород и соответственно снижению их смещений в сечение выработки.

Из этого следует, что известный способ недостаточно эффективен при креплении выработок, пройденных в слабоустойчивых вмещающих породах, поскольку не обеспечивает надежное укрепление разуплотненных пород.

Известен способ анкерного крепления горных выработок, включающий бурение шпуров во вмещающие породы выработки и установку в них сталеполимерных анкеров с закреплением их стержней ампулами с быстротвердеющими смесями по всей длине шпуров, причем первой (глубинной) в забое шпура устанавливают ампулу с наименьшим временем отверждения быстротвердеющей смеси, а после нее устанавливают ампулы с большим временем отверждения быстротвердеющей смеси, чем время отверждения быстротвердеющей смеси первой (глубинной) ампулы. В результате согласно теории геомеханики по мере установки анкеров образуются породные блоки вокруг них, каждый из которых имеет форму сдвоенного конуса (ромба), причем вершина одного из конусов находится на контуре выработки [см. источник 2, с.21-22, 48].

Недостаток известного способа заключается в том, что в случае проведения выработки в слабых неустойчивых вмещающих породах или в условиях повышенного горного давления принятая схема расположения ампул с разными качественными характеристиками по длине шпура не может повлиять на укрепление нарушенных вмещающих пород, поскольку породные блоки, формируемые вокруг анкеров в нарушенных трещиноватых породах в виде сдвоенных конусов, практически не могут взаимодействовать между собой. А это, в свою очередь, может привести к смещению нарушенных пород в сечение выработки.

Причем практически не происходит укрепление породными блоками наиболее нарушенных вмещающих пород у контура выработки, поскольку одна из вершин породных блоков находится на контуре выработки. В результате чего остается неукрепленной часть пород между породными блоками у контура выработки, а поэтому не исключена возможность смещений нарушенных пород у контура выработки.

В связи с изложенным возникает необходимость в дополнительном воздействии на нарушенные (разуплотненные) породы в процессе их анкерования и так, чтобы породные блоки оказались в условиях объемного сжатия, обеспечивая за счет этого повышенную прочность укрепления нарушенных вмещающих пород и соответственно их устойчивость.

Из изложенного следует, что известный способ [2] недостаточно эффективен, поскольку не обеспечивает снижение смещений укрепляемых нарушенных вмещающих пород выработки и соответственно надежность их укрепления, особенно слабых неустойчивых вмещающих пород.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в повышении эффективности способа за счет обеспечения возможности снижения смещений нарушенных вмещающих пород в сечение выработки, преимущественно слабых неустойчивых пород, обусловленного повышением их устойчивости.

Технический результат, достижение которого обеспечивает решение поставленной задачи, выражается в обеспечении устойчивого состояния окружающих горную выработку вмещающих пород за счет формирования несущего слоя из укрепленных пород в приконтурном массиве выработки.

Для достижения поставленной задачи с заявляемым техническим результатом в способе анкерного крепления горных выработок, преимущественно в слабых вмещающих породах, включающем бурение шпуров во вмещающие породы выработки и установку в них сталеполимерных анкеров с закреплением их стержней по всей длине шпуров ампулами с твердеющими смесями, имеющими разное время отверждения, согласно заявляемому изобретению после прогнозного определения границы зоны нарушенных вмещающих пород от проведения выработки обеспечивают динамическое воздействие на нарушенные вмещающие породы вокруг выработки в упомянутой зоне в условиях проявления горного давления, для чего бурение шпуров осуществляют перпендикулярно к контуру выработки до границы упомянутой зоны, глубинную часть каждого из которых заполняют ампулами с расширяющейся смесью замедленного отверждения, а оставшуюся часть шпура - ампулами с быстротвердеющими смесями, причем последней в устье шпура устанавливают ампулу с наименьшим временем отверждения быстротвердеющей смеси с постепенным увеличением времени отверждения быстротвердеющей смеси каждой впереди установленной ампулы в этой части шпура относительно последней ампулы, при этом при установке в шпуры анкеров с разрушением в них ампул с упомянутыми твердеющими смесями за счет расширения при отверждении твердеющих смесей ампул по всей длине шпуров с одновременной передачей при этом разного по величине давления на нарушенные вмещающие породы создается заданное силовое воздействие на упомянутые породы с возможностью образования вокруг анкеров породных блоков из укрепленных пород по контуру выработки, сопрягаемых друг с другом боковыми поверхностями и каждый из которых приобретает форму призмы в поперечном сечении в виде трапеции в плоскости сечения выработки, причем большее основание трапеции ограничено границей зоны нарушенных вмещающих пород, а меньшее ее основание - контуром выработки, при этом в процессе дальнейшего проявления горного давления происходит самозаклинивание упомянутых породных блоков, усиливающее их сжатие между собой, обеспечивая таким образом устойчивое состояние окружающих горную выработку вмещающих пород.

Причем ампулы, размещаемые в глубинной части шпура, имеют время отверждения, равное 60-180 секунд, а ампулы, размещаемые в остальной части шпура, в 2-3 раза меньше.

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 (идентичными) всем существенным признакам заявляемого изобретения, изложенным в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».

Причинно-следственная связь между заявляемой совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом следующая.

Признак - «после прогнозного определения границы зоны нарушенных вмещающих пород от проведения выработки обеспечивают динамическое воздействие на нарушенные вмещающие породы вокруг выработки в упомянутой зоне в условиях проявления горного давления» - является новым и позволяет повысить устойчивость укрепляемых нарушенных вмещающих пород за счет их объемного сжатия посредством обеспечения динамического воздействия на них.

Признак - «для чего бурение осуществляют перпендикулярно к контуру выработки до границы упомянутой зоны, глубинную часть каждого из которых заполняют ампулами с расширяющейся смесью замедленного отверждения, а оставшуюся часть шпура - ампулами с быстротвердеющими смесями, причем последней в устье шпура устанавливают ампулу с наименьшим временем отверждения быстротвердеющей смеси с постепенным увеличением времени отверждения быстротвердеющей смеси каждой впереди установленной ампулы в этой части шпура относительно последней ампулы» - является основополагающим и главным техническим средством, влияющим на проявление эффекта сжатия породных блоков между собой, формируемых вокруг анкеров.

Причем бурение шпуров перпендикулярно к контуру выработки до границы зоны нарушенных пород обуславливает оптимальную глубину шпуров и соответственно длину закрепляемых анкеров, что позволяет наиболее полно охватить укреплением нарушенные породы приконтурного массива выработки без пропусков неукрепленных участков в нем.

Кроме того, принятый порядок расположения ампул вдоль шпура, имеющих разные качественные характеристики, гарантированно упреждает возможность охватить укреплением наиболее нарушенные породы, прилегающие к контуру выработки, не позволяя тем самым развиться процессу дальнейшего расслоения вмещающих пород у контура выработки по сравнению с прототипом [2], в котором практически невозможно охватить укреплением породы, прилегающие к контуру выработки, поскольку происходит только закрепление анкера без силового воздействия на укрепляемые нарушенные породы.

Поэтому полезность данного признака очевидна, поскольку способствует повышению устойчивости укрепляемых вмещающих пород.

Признак - «при этом при установке в шпуры анкеров с разрушением в них ампул с упомянутыми твердеющими смесями за счет расширения при отверждении твердеющих смесей ампул по всей длине шпуров с одновременной передачей при этом разного по величине давления на нарушенные вмещающие породы создается заданное силовое воздействие на упомянутые породы с возможностью образования вокруг анкеров породных блоков из укрепленных пород по контуру выработки, сопрягаемых друг с другом боковыми поверхностями и каждый из которых приобретает форму призмы в поперечном сечении в виде трапеции в плоскости сечения выработки, причем большее основание трапеции ограничено границей зоны нарушенных вмещающих пород, а меньшее ее основание - контуром выработки» - является основополагающим и характеризует протекание геомеханических процессов в нарушенных породах после расширения твердеющих смесей ампул, выражающихся в создании силового воздействия на них, способствующего оконтуриванию вокруг анкеров породных блоков в форме призм за счет быстропротекающих процессов расширения и отверждения твердеющих смесей ампул в направлении от устья шпура.

Это, в свою очередь, способствует повышению устойчивости укрепленных нарушенных пород, а за счет этого обеспечивается возможность снижения их смещений в сечение выработки.

Признак - «при этом в процессе дальнейшего проявления горного давления происходит самозаклинивание упомянутых породных блоков, усиливающее их сжатие между собой, обеспечивая таким образом устойчивое состояние окружающих горную выработку вмещающих пород» - указывает на продолжение процесса укрепления нарушенных пород за счет усиления сжатия породных блоков их боковыми поверхностями под влиянием горного давления, что способствует формированию несущего слоя из укрепленных пород в приконтурном массиве выработки, обеспечивая тем самым устойчивое состояние окружающих горную выработку вмещающих пород.

Признак (пункт 2 формулы) - «ампулы, размещаемые в глубинной части шпура, имеют время отверждения, равное 60-180 секунд, а ампулы, размещаемые в остальной части шпура, - в 2-3 раза меньше» - регламентирует выбор наиболее оптимальных величин времени отверждения глубинных и приустьевых ампул, которые приняты заявителем исходя из условия создания последовательного отверждения твердеющих смесей ампул по длине шпура начиная от его устья, чтобы реализовать возможность гарантированного развития динамического воздействия на нарушенные вмещающие породы вокруг выработки.

Все перечисленные технические эффекты позволят решить поставленную задачу - повысить эффективность крепления горных выработок за счет повышения устойчивости укрепленных вмещающих пород, преимущественно слабых неустойчивых пород.

Из изложенного следует, что существенные признаки заявляемого изобретения находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом и из уровня техники в данной области не очевидны явным образом для специалиста, а поэтому заявляемое изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Промышленная применимость заявляемого изобретения обосновывается нижеприведенным описанием и чертежами к нему.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 показан общий вид сталеполимерного анкера в момент его установки в шпур, заполненный ампулами с твердеющими смесями, продольный разрез;

- на фиг.2 - поперечное сечение горной выработки после укрепления нарушенных вмещающих пород вокруг выработки по описываемому способу (пунктирными линиями обозначены места сопряжении породных блоков, образованных вокруг анкеров);

- на фиг.3 - фрагмент укрепленных вмещающих пород вокруг контура выработки с фиг.2 (стрелками схематически показаны направления передачи давления расширяющихся твердеющих смесей ампул по длине шпуров на вмещающие породы), поперечное сечение;

- на фиг.4 схематически изображен сформированный несущий слой вокруг контура выработки из укрепленных вмещающих пород посредством породных блоков, образованных вокруг анкеров (в момент воздействия горного давления на выработку после формирования несущего слоя).

Способ анкерного крепления горных выработок осуществляется следующим образом.

Согласно заявляемому способу по мере проведения выработки 1, которой придают например сводчатую или другую правильную геометрическую форму, первоначально известными методами осуществляют прогнозное определение границы 2 зоны 3 нарушенных от проведения выработки 1 вмещающих пород, в пределах которой в условиях проявления горного давления со стороны нетронутого горного массива обеспечивают в следующем порядке динамическое воздействие на нарушенные вмещающие породы вокруг контура выработки 1.

Для чего бурят шпуры 4 в нарушенные вмещающие породы (в кровлю и бока) проводимой выработки 1 вокруг ее контура и перпендикулярно к нему до границы 2 упомянутой зоны 3.

В пробуренные шпуры 4 устанавливают сталеполимерные анкера 5 с закреплением их стержней 6 по всей длине шпуров 4 ампулами с твердеющими смесями 7-10, имеющими разное время отверждения.

При этом глубинную часть каждого шпура 4 заполняют ампулами с расширяющейся смесью замедленного отверждения 7, а остальную часть шпура - ампулами с быстротвердеющими смесями 8, 9 и 10. Причем последней в устье шпура 4 устанавливают ампулу 10 с наименьшим временем отверждения быстротвердеющей смеси, впереди ампулы 10 размещена ампула 9 с большим временем отверждения ее быстротвердеющей смеси, чем ампула 10, а затем впереди ампулы 9 размещена ампула 8, имеющая время отверждения еще больше, чем время отверждения ампулы 9 (фиг.1).

Затем в каждый шпур 4 вводят стержень 6, одновременно с подачей которого его вращают. При этом происходит последовательное разрушение ампул 10, 9, 8 и 7 и перемешивание их твердеющих смесей с одновременным их расширением при отверждении. При этом физическая основа воздействия расширяющихся твердеющих смесей на нарушенные породы заключается в том, что одновременно с их расширением происходит передача давления F разного (неодинакового) по величине через расширяющиеся твердеющие смеси ампул 7-10 на нарушенные вмещающие породы вокруг контура выработки 1, причем давление F нарастает в направлении к глубинной части шпуров 4 (фиг.2 и 3).

От проявления такого давления создается направленное от контура шпуров 4 силовое воздействие на нарушенные вмещающие породы с возможностью образования за счет этого породных блоков 11 из укрепленных пород по контуру выработки 1.

В результате протекания описанного геомеханического процесса образования породных блоков 11 последние оказываются сопряженными друг с другом своими боковыми поверхностями 12, а за счет неодинакового силового воздействия на вмещающие породы, максимальное значение которого проявляется в районе глубинной части шпуров 4, каждый породный блок 11 оконтуривается в форме призмы, поперечное сечение которой в плоскости сечения выработки 1 представляет собой трапецию. Причем большее основание 13 такой трапеции ограничено границей 2 зоны 3 нарушенных вмещающих пород, а меньшее ее основание 14 - контуром выработки 1 (фиг.4).

Благодаря созданию силового воздействия под влиянием расширяющихся твердеющих смесей ампул 7-10 при их отверждении происходит проявление эффекта объемного сжатия породных блоков 11 между собой и соответственно вмещающих пород с образованием таким образом искусственно созданной блочной структуры нарушенного массива пород, выполняющей функцию несущего слоя. Это обеспечивает повышение устойчивости укрепленного нарушенного массива пород, позволяя тем самым снизить их смещения в сечение выработки.

Причем ампулы 7, размещаемые в глубинной части шпура 4, имеют время отверждения, равное 60-180 секунд, а ампулы 8, 9 и 10, размещаемые в остальной части шпура, в 2-3 раза меньше.

Выбор такого регламента времени отверждения твердеющих смесей ампул 7-10 необходим для того, чтобы создать условия гарантированного развития динамического воздействия на нарушенные породы вокруг выработки 1.

Далее по мере проведения выработки 1 повторяют описанный порядок выполнения работ по укреплению нарушенных вмещающих пород, а на ранее укрепленном участке выработки 1 вследствие дальнейшего проявления горного давления (на фиг.4 показано стрелками N) происходит самозаклинивание породных блоков 11 с возможностью усиления их сжатия между собой, что позволяет обеспечить устойчивое состояние окружающих горную выработку вмещающих пород, преимущественно слабых неустойчивых пород, и соответственно сохранность выработки в эксплуатационном состоянии на весь срок ее службы.

Таким образом, использование заявляемого способа позволяет повысить эффективность анкерного крепления горных выработок за счет обеспечения возможности снижения смещений нарушенных вмещающих пород в сечение выработки, обусловленного повышением их устойчивости.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР № 1583619, кл. Е21D 21/00, 1988 г.

2. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России: Утв. Руководителем Комитета по угольной промышленности при Минтопэнерго РФ 12.04.2000, С.-Петербург, 2000. С.21-22, 48 (прототип).