Способ строительства основания на почве горной выработки в угольной и сланцевой шахте
METHOD FOR CONSTRUCTION OF FOUNDATION ON SOIL OF MINE OPENING IN COAL AND SHALE MINE

Настоящее изобретение относится к горной промышленности, к строительству основания на почве горной выработки в угольной и сланцевой шахте. Угольные шахты для добычи полезного ископаемого при разработке месторождений длинными столбами применяют высокопроизводительные очистные комплексы, которые позволяют вести добычу с максимальной производительностью. В результате этого темпы продвижения очистных забоев могут достигать до 5-10 м в сутки или 150-300 м в месяц. Для обеспечения стабильной и беспрерывной работы высокопроизводительных угольных очистных забоев необходимо заранее готовить горные выработки. Это осуществляется путем организации работы высокоскоростных проходческих забоев, которые позволяют строить выработки, в зависимости от площади поперечного сечения и используемой конструкции крепи выработки, с производительностью до 15 п.м. за 1 сутки. Для обеспечения работы высокоскоростных проходческих забоев при проведении спаренных выработок (штреков, разделенных целиком угля шириной 30-100 м) применяются самоходные вагоны (например, ВС-17, полная масса груженого горной породой вагона 36 тн.). Применение самоходных вагонов позволяет с меньшими затратами строить параллельные выработки (штреки) за счет монтажа ленточного конвейера только на одном штреке. При применении самоходного вагона для транспортировки горной массы от проходческого комбайна к месту разгрузки в выработках, где вмещающие породы почвы теряют прочность на сжатие от воздействия рудничной атмосферы или воды, необходимо обеспечить надежное основание для передвижения самоходного вагона по горной выработке, исключить образование колеи в почве выработки при цикличном передвижении самоходного вагона от проходческого комбайна к месту разгрузки горной массы
Из существующего уровня техники и технологии в строительной отрасли известен способ армирования грунта для устройства оснований на слабых, подверженных размоканию грунтах. Одно из таких решений защищено патентом SU 199790. В этом патенте SU 199790 автор Анри Видаль предложил конструкцию армированного грунта с использованием гибкой продольной относительно действующих сил арматуры, при этом армированный грунт представляет конструкцию, состоящую из несвязного грунта, образованного из зернистых частиц и арматуры, которые расположены таким образом, что они удерживаются по отношению друг к другу или непосредственным трением с арматурой, или же трением с другими соприкасающимися материалами, которые, в свою очередь, находятся в трении с арматурой. Общеизвестно, что на сегодняшний день различными предприятиями в РФ освоено производство объемных георешеток очень широкой номенклатуры. Например, адреса сайтов в сети Internet, в которых представлена открытая информация об определении объемной георешетки, ее технических характеристиках, размерах, вариантах применения и использования: www.georeshetka-or.ru; www.pskgeodor.ru; www.geo-sm.ru; www.poliplast-geo.ru: www.geoproduct.ru. Объемная георешетка - это объемная трехмерная конструкция, в виде секции, состоящей из ячеек одинаковой геометрической формы и одинаковых размеров, изготовляемая из полимерных полос, выполненных из синтетических или природных полимеров, одинаковой ширины и толщины и длиной много больше ширины полосы, путем соединения полос между собой, в направлении перпендикулярном длине полосы, при этом высота ячейки равна ширине полосы. Согласно ОДМ 218.5.005-2010 «Классификация, термины, определения геосентетических материалов применительно к дорожному хозяйству» геосотовый материал ГСТ (geocell; GCE) - это пространственная конструкция, имеющая сквозные ячейки, образованная из геополос, соединенных в перпендикулярной плоскости относительно плоскости материала, высота ребер которого соизмерима с размером ячейки. Различные производители предлагают выпускаемые объемные георешетки для устройства конструктивных слоев при строительстве дорог, устройства конструкций для укрепления откосов, создания искусственных ландшафтов. При этом, общеизвестно, свойство объемных георешеток при их применении в конструкциях дорог перераспределять вертикальную нагрузку в горизонтальном направлении между близлежащими ячейками, которые могут быть заполнены материалами как природного происхождения, так и отходами от различных производств. В результате этого перераспределения нагрузки в основаниях, выполненных из объемной георешетки, не происходит накопления остаточных деформаций от многократного передвижения колесной техники и соответственно не образуется колея.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является способ строительства в условиях угольной и сланцевой шахты эффективного и надежного основания на почве горизонтальной горной выработки. Конструкция основания должна обеспечить многократное перемещение самоходного вагона на пневматическом колесном ходу (подвижной нагрузки) при проведении параллельных горизонтальных выработок (штреков) без образования колеи на почве выработки.
Поставленная задача решена путем применения каркаса объемного армирующего КОА-М и КОА-П, выполненного по ТУ42.99.11-006-50576573-2016. Каркас объемный армирующий КОА-М изготавливается из металлических формованных полос шириной от 50 мм до 300 мм, из холоднокатаной стали толщиной от 1,5 мм рисунок №1. Полосы отформованы таким образом, что после соединения двух полос получаются ячейки с равными размерами по длине и ширине от 250 мм до 400 мм и высотой равной ширине полосы рисунок №2. Из соединенных пар полос при помощи сварки собирают секцию каркаса определенной длины и ширины рисунок №3 и рисунок №7. Каркас объемный армирующий КОА-П изготавливается из объемной георешетки (geocell; GCE), представляющей собой трехмерную конструкцию в виде секции, состоящей из ячеек одинаковой геометрической формы и одинаковых размеров, изготовляемую из полимерных полос, выполненных из синтетических или природных полимеров, одинаковой ширины и толщины, и длиной много больше ширины полосы, путем соединения полос между собой, в направлении перпендикулярном длине полосы, при этом высота ячейки равна ширине полосы, ширина полосы из которой выполнен каркас объемный армирующий составляет от 50 мм до 300 мм, толщина полосы от 1,5 мм, размер ячеек каркаса объемного армирующего одинаковый по длине и ширине и составляет от 250 мм до 400 мм, рисунок №4 и №4.1.
Сущность изобретения. При проведении горизонтальной или наклонной до 13 градусов горной выработки по углю или по смешанному забою с применением технологической схемы перемещения горной массы от проходческого комбайна к конвейеру с использованием самоходного вагона на колесном пневматическом ходу на почву горной выработки укладывают геомембрану для гидроизоляции вмещающих пород почвы от воздействия воды. На геомембрану укладывают секции каркаса объемного армирующего. Секции каркаса объемного армирующего, выполненные из листового металла КОА-М соединяют между собой шпильками с шайбами и гайками с резьбой M16-М24 через перфорационные отверстия (6) и монтажные отверстия (5). Затем ячейки секции каркаса объемного армирующего КОА-М заполняют балластом - горными породами, образовавшимися при проведении горной выработки проходческим комбайном. Толщина балласта должна быть на 50 мм - 100 мм выше секции каркаса объемного армирующего.
Секции каркаса объемного армирующего, выполненного из полимерной объемной георешетки (geocell;GCE) КОА-П раскрепляют анкерами из винтовой стали диаметром 16 мм в борта или почву выработки для исключения перемещения вдоль почвы выработки и соединяют между собой шпильками с шайбами и гайками с резьбой M16-М24 или отрезками длиной 200 мм из винтовой стали диаметром 16 с шайбами и гайками через специально выполненные монтажные отверстия в геополосе. При этом анкера устанавливают в пробуренные в борту или почве выработки шпуры глубиной не менее 500 мм и закрепляют ампулами АКЦ (Рис. 5, Рис. 6).
При движении пневматического колеса самоходного вагона над ячейками каркаса КАО-М или КАО-П за счет трения между зернистыми кусочками угля в ячейке каркаса происходит перераспределение вертикальной нагрузки от колеса в горизонтальную нагрузку на стенки ячейки каркаса КОА-М или КОА-П, которой служит объемной арматурой за счет податливости стенок ячеек каркаса и трения стенок ячейки каркаса с кусочками угля в соседних ячейках горизонтальная нагрузка перераспределяется на все соседние ячейки каркаса, при этом каркас КОА-М или КОА-П удерживает уголь в ячейках от горизонтальной деформации, а благодаря рассчитанной геометрической форме ячеек, размерами ячеек по длине и ширине, высоте ячеек, ширине и толщине полос из которых изготовлен каркас КОА-П или КОА-М, каркас испытывает только упругие деформации. При этом важно обязательное наличие защитного слоя толщиной 50 мм - 100 мм над каркасом. При отсутствии или выбивании защитного слоя колесами самоходного вагона будет происходить деформация и потеря устойчивости тонких стенок каркаса, что может привести к частичному разрушению верхней части основания. То есть в процессе эксплуатации основания, выполненного из КОА-М или КОА-П при многократном перемещении самоходного вагона по одной и той же траектории необходимо поддерживать толщину защитного слоя в пределах 50 мм -100 мм.
Технический результат. При проведении горной выработки в угольной шахте по углю или смешанному забою с использованием самоходного вагона для транспортировки горной массы от проходческого комбайна до конвейера, вслед за продвижением комбайна циклично, соответственно суточному продвижению проходческого забоя на почву горной выработки вслед за комбайном укладывается геомембрана и на нее укладывается секции объемного армирующего каркаса, выполненные по ТУ42.99.11-006-50576573-2016, затем ячейки каркаса объемного армирующего заполняются балластом - горной породой, образовавшейся при проведении горной выработки. При этом получается надежное основание для перемещения людей и самоходного горного оборудования на колесном пневматическом ходу. При движении колесной техники с пневматическими колесами происходит перераспределение деформаций в основании под «пятном» контакта колеса с основанием на соседние ячейки каркаса объемного армирующего, вследствие чего остаточные деформации не накапливаются и не образуется колея при циклическом перемещении самоходного вагона на одном участке выработки.
Предлагаемый способ был использован для устройства основания на почве горной выработки для обеспечения проезда самоходного вагона на колесном пневматическом ходу на одном из угольных предприятий в Кузбассе.
Пример 1.
При проведении этой выработки для исключения образования колеи в почве на траектории движения самоходного вагона (11) рисунок №8, который перемещает горную массу от проходческого комбайна (7) до места выгрузки на ленточный конвейер применили каркас объемный армирующий КОА-М 208-380x380 по ТУ42.99.11-006-50576573-2016 рисунок №7, №7.1, №7.2 для устройства основания на почве выработки вслед за продвижением проходческого комбайна. Устройство основания выполняли последующими производственными операциями:
1. Вслед за продвижением проходческого комбайна (7) на почву горной выработки укладывали геомембрану (8);
2. Сверху геомембраны устанавливали каркасы КОА-М 208-380x380 ТУ42.99.11-006-50576573-2016 в один ряд по длине выработки, 3 каркаса на ширину выработки. Каркасы КОА-М соединили между собой шпильками с шайбами и гайками с резьбой Ml6 через монтажные отверстия (5) и перфорационные отверстия (6);
3. Ячейки каркасов (10) заполнили породой, сверху каркасов насыпали защитный слой толщиной 150 мм из породы образовавшейся при проведении выработки комбайном (7), породу засыпали с использованием перегружателя комбайна (7);
4. Затем на геомембрану установили следующий ряд каркасов КОА-М 208-380x380 ТУ42.99.11-006-50576573-2016. Сначала их соединили шпильками с шайбами и гайками с резьбой М16 через монтажные отверстия (5) с уже установленными и засыпанными породой каркасами КОА-М, а затем соединили шпильками с шайбами и гайками с резьбой М16 через перфорационные отверстия (6) между собой;
5. Ячейки установленных каркасов КОА-М, заполнили породой, сверху каркасов насыпали защитный слой толщиной 150 мм из породы, образовавшейся при проведении выработки комбайном (7), породу засыпали с использованием перегружателя комбайна (7). По мере продвижения проходческого комбайна (7) при проведении выработки операции по устройству основания из КОА-М, по вышеуказанным пунктам 1-5 повторялись. В результате, вслед за продвижением проходческого забоя строилось основание (10) на почве горной выработки из каркасов КОА-М, которые заполнялись горной породой образовавшейся при проведении выработки проходческим комбайном. При многократном циклическом перемещении груженного самоходного вагона (11) на одном участке выработки по траектории движения самоходного вагона колея не образовывалась.
Пример 2.
Для устройства основания на почве горной выработки для обеспечения проезда самоходного вагона ВС-17 на колесном пневматическом ходу на одном из угольных предприятий применили каркас КОА-П.
Для проведения параллельных выработок (штреков) на данном предприятии применяется самоходный вагон, который перемещает горную массу от проходческого комбайна до ближайшей сбойки, на которой установлен перегружатель. С самоходного вагона горная масса перегружается по перегружателю на ленточный конвейер, установленный на параллельном штреке. Количество циклов передвижения самоходного вагона ВС-17 от сбойки до проходческого комбайна до изменения схемы доставки горной массы составлял 500 единиц. Через 100 циклов перемещения самоходного груженного вагона ВС-17 от проходческого комбайна до сбойки на почве выработки образовывалась колея, которая значительно снижала фактическую скорость передвижения самоходного вагона ВС-17 по сравнению с разрешенной скоростью передвижения груженного вагона заводом-изготовителем. В результате чего время на один проходческий цикл увеличивалось, что приводило к значительному сокращению проведения выработки в погонных метрах, в сравнении с запланированными погонными метрами по производственному плану проведения горной выработки за 1 месяц времени. Для решения вопроса проведения горной выработки с использованием самоходного вагона ВС-17 по производственному плану на почве горной выработки в районе образования колеи наибольшей глубины (от сопряжения штрека со сбойкой на 50 м в направлении проходческого забоя) выполнили основание для передвижения самоходного вагона ВС-17. Устройство основания, рисунок №9:
1. Выполнили поддир почвы штрека на глубину 400 мм на длину 50 м по всей ширине штрека от сопряжения в сторону забоя.
2. Следом за продвижением проходческого комбайна (7), выполняющего поддир почвы, на почву выработки укладывали секции каркаса объемного армирующего (13), размер секции каркаса ширина 3000 мм, длина 4900 мм. Каркас укладывали длинной стороной перпендикулярно оси выработки. Секции каркаса объемного армирующего были изготовлены по ТУ42.99.11-006-50576573-2016 из объемной георешетки. Материал, из которого была выполнена объемная георешетка - полиэтилен, высота ребра георешетки 300 мм, толщина ребра 1,5 мм, размер ячейки по стороне 320 мм на 320 мм, разрывная нагрузка ленты не менее 20 кН/м, разрывная нагрузка шва не менее 16 кН/м (Рис. 7).
3. Каркас закрепили 6 анкерами в борт выработки длина анкера 600 мм, длина шпура для анкера 500 мм, между собой секции каркаса КОА-П соединили отрезками длиной 200 мм из винтовой стали диаметром 16 с шайбами и гайками через специально выполненные монтажные отверстия в геополосе.
4. Ячейки секции каркаса заполнили горной породой, образовавшейся от поддира почвы комбайном, горную породу насыпали в ячейки каркаса с перегружателя комбайна. Горную породу насыпали полосой шириной 3 м (по 1,5 м от оси штрека) на высоту каркаса плюс 100 мм для устройства защитного слоя.
5. После устройства основания (12) самоходный вагон ВС-17 перегнали по основанию вслед за проходческим комбайном.
6. При продвижении проходческого комбайна к забою производили поддир почвы (14) (срубали колею), образовавшуюся горную породу перевозили самоходным вагоном к основанию из каркаса объемного армирующего и засыпали оставшиеся ячейки каркаса, затем насыпали защитный слой толщиной 100 мм.
В результате, при дальнейшем проведении горной выработки при перемещении груженого самоходного вагона ВС-17 от проходческого комбайна к сбойке по основанию из каркаса объемного армирующего с балластом из горной породы, образование колеи не отмечено.
Краткое описание рисунков.
На рисунке №1 схематично изображен отформованная полоса каркаса КОА-М по ТУ42.99.11-006-50576573-2016.
На рисунке №2 схематично изображена пара отформованных полос каркаса КОА-М по ТУ42.99.11-006-50576573-2016, соединенных при помощи сварки.
На рисунке №3 схематично изображена секция каркаса КОА-М по ТУ42.99.11-006-50576573-2016.
На рисунке №4 схематично изображена секция каркаса КОА-П по ТУ42.99.11-006-50576573-2016.
На рисунке №4.1 схематично изображена секция каркаса КОА-П по ТУ42.99.11-006-50576573-2016.
На рисунке №5 схематично изображено крепление секции каркаса КОА-П по ТУ42.99.11-006-50576573-2016 к борту горной выработки:
1. Горный массив;
2. Анкер, закрепленной клеем из ампулы АКЦ;
3. Полимерная полоса каркаса КОА-П.
На рисунке №6 схематично изображено крепление секции каркаса КОА-П по ТУ42.99.11-006-50576573-2016 к почве горной выработки:
4. Г-образный анкер.
На рисунке №7 схематично изображена секция каркаса КОА-М 208-380x380 по ТУ42.99.11-006-50576573-2016.
На рисунке №7.1 изображен разрез Б-Б по рисунку №7:
5. Монтажные отверстия;
6. Дренажные отверстия.
На рисунке №7.2 изображен разрез А-А по рисунку №7.
На рисунке №8 схематично изображен вертикальный разрез проходческого забоя:
7. Проходческий комбайн;
8. Геомембрана;
9. Каркас КОА-М 208-380x380;
10. Основание на почве горной выработки из каркасов КОА-М 208-380x380 по ТУ42.99.11-006-50576573-2016 и горной породы, образовавшейся при проведении выработки проходческим комбайном;
11. Самоходный вагон.
На рисунке №9 схематично изображен вертикальный разрез штрека:
12. Основание на почве горной выработки из каркасов КОА-П по ТУ42.99.11-006-50576573-2016 и горной породы.
13. Каркас КОА-П по ТУ42.99.11-006-50576573-2016;
14. Горная порода на почве штрека.
Литература.
1. Патент SU 199790
2. Адреса сайтов в сети Internet: www.georeshetka-or.ru; www.pskgeodor.ru; www.geo-sm.ru; www.poliplast-geo.ru: www.geoproduct.ru.
3. ОДМ 21 8.5.005-2010 «Классификация, термины, определение геосинтетических материалов применительно к дорожному строительству».
4. ТУ42.99.11-006-50576573-2016.