СПОСОБ БОРЬБЫ С ПУЧЕНИЕМ ПОЧВЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
MINE WORKING SOIL ANTI-SWELLING METHOD

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам борьбы с пучением почвы горных выработок, и может быть использовано для поддержания выработок в условиях воздействия динамических нагрузок горного давления.
Одним из основных источников динамических нагрузок на выработки и крепи являются проявления интенсивности горного давления (особенно от влияния очистных работ), под действием которых происходит выдавливание пород в выработку со стороны кровли и почвы. Накопленный опыт показывает, что в условиях проявления интенсивности горного давления горные выработки, закрепляемые традиционными рамными крепями, рамы которых с обеих сторон выработки опираются на опорные площадки, полностью или частично нарушаются вследствие деформирования пород почвы. Объясняется это тем, что опорная поверхность упомянутых площадок очень мала и практически не участвует в перераспределении сил горного давления на почву выработки. В результате очень велики материальные затраты на восстановление нарушенных выработок.
Известны способы снижения пучения почвы горных выработок в угольных шахтах. Так, по а.с. СССР №1164432, кл. Е21Д 20/00, снижение пучения почвы достигается путем образования полостей в почве выработки и заполнения их химическим веществом, которое, растворяясь при воздействии шахтных вод, насыщает по трещинам горный массив. Однако способ не применим в условиях действия динамических нагрузок на выработку, поскольку не исключено разупрочнение горного массива при воздействии на него шахтных вод вследствие отсутствия глубокого проникновения химического вещества в разрушенный взрывом горный массив.
По а.с. СССР №2019705, кл. Е21Д 20/00, снижение почвы горных выработок достигается путем образования полости в слое горных пород, обладающих максимальной податливостью, посредством производства камуфлетных взрывов с последующим обрушением в эту полость пород, расположенных над ней. Образованная таким образом в почве выработки зона, заполняемая разрушенными породами, хотя и снижает пучение почвы, однако при проявлении интенсивности горного давления эта зона не обеспечивает защиту почвы от пучения вследствие ее ослабления под влиянием упомянутой зоны.
В указанных способах не решены вопросы поддержания горных выработок, испытывающих воздействие динамических нагрузок горного давления и почвы которых склонны к пучению.
Известен способ повышения устойчивости почвы горной выработки по а.с. СССР №1465592, кл. Е21Д 20/00, включающий формирование зоны упрочнения путем бурения шпуров в почву, установку в них трубчатых анкеров, размещение зарядов взрывчатого вещества в нижней части трубчатых анкеров, взрывание зарядов ВВ и нагнетание упрочняющего раствора через анкеры в горный массив. Причем зону упрочнения формируют со стороны действия максимального напряжения в горном массиве на расстоянии от контура выработки не менее половины приведенного диаметра выработки.
Недостатком данного способа является то, что вследствие формирования зоны упрочнения только в местах действия максимального напряжения в горном массиве происходит лишь снятие нагрузки на почву выработки от воздействия горного давления у боков выработки, что не может повлиять на состояние пород почвы выработки в пределах ее сечения с целью повышения устойчивости почвы выработки.
Кроме того, поскольку укрепляющий раствор нагнетают в разрушенные взрывом ВВ породы почвы, то это может привести к неравномерному его распространению в этих породах, поэтому такая зона упрочнения не может гарантированно воспринимать динамические нагрузки горного давления.
Также недостатком способа является сложность технологии формирования зоны упрочнения, включающей большое количество трудоемких операций.
Причем способ имеет ограниченное применение, поскольку использование ВВ небезопасно для многих угольных шахт.
Из изложенного следует, что этот способ не обеспечивает эффективность и надежность поддержания горных выработок, почва которых склонна к пучению.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ борьбы с пучением почвы горных выработок по а.с. СССР №1703907, кл. Е21Д 20/00, включающий проходку выработки и установку в почву у ее бортов наклонных анкеров. Причем одновременно с проходкой выработки определяют мощность слоев почвы и степень ослабленности механического контакта по этим слоям, устанавливают в почву выработки у ее бортов реперы и при их сближении по увеличению степени ослабленности механического контакта определяют мощность пучащего слоя почвы, а анкеры устанавливают под углом к вертикали 20-30°, длину которых определяют по расчетной формуле.
Недостатком способа является низкая его эффективность, поскольку он предусматривает уменьшение деформирования пород пучащего слоя за счет их укрепления только у бортов выработки с помощью анкеров, устанавливаемых под углом к вертикали 20-30°. Однако величина угла наклона настолько мала, что не позволяет наиболее полно охватить укреплением породы в пучащем слое почвы у бортов выработки в зонах максимальных напряжений и соответственно повлиять на снижение пучения почвы в средней части выработки.
Поэтому породы пучащего слоя почвы в средней части выработки оказываются неукрепленными вообще, соответственно не может быть обеспечена устойчивость почвы выработки в условиях действия на выработку и крепь динамических нагрузок, что может привести к выдавливанию пород пучащего слоя в сечение выработки.
Из изложенного следует, что известный способ, принятый за прототип, недостаточно эффективен в борьбе с пучением почвы горных выработок, поскольку не решает вопрос снижения пучения пород почвы горных выработок, испытывающих воздействие динамических нагрузок горного давления.
Задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в повышении эффективности способа за счет снижения пучения почвы горной выработки, обусловленного повышением устойчивости пучащего слоя почвы выработки.
Технический результат, достижение которого обеспечивает решение поставленной задачи, выражается в увеличении срока безремонтной эксплуатации горных выработок.
Для достижения поставленной задачи с заявляемым техническим результатом в способе борьбы с пучением почвы горных выработок, включающем проведение и крепление горной выработки рамной крепью с одновременным определением мощности пучащего слоя почвы и установку в почву выработки у ее бортов наклонных анкеров, согласно заявляемому изобретению, для снижения пучения почвы горной выработки обеспечивают повышение устойчивости пучащего слоя почвы выработки, для чего после определения мощности пучащего слоя почвы устанавливают анкеры по контуру свода выработки в промежутке между рамами постоянной крепи, по мере закрепления которых в шпурах с помощью ампул образуется несущий свод из укрепленных пород по контуру свода выработки с возможностью опирания его основаниями на пучащий слой почвы по обеим сторонам выработки за ее пределами, причем основание несущего свода, являющееся его опорной поверхностью, имеет ширину, соответствующую длине упомянутого анкера, а его длина соотносится с принятой длиной участка укрепления пород вокруг выработки, при этом по мере образования несущего свода из укрепленных пород по контуру свода выработки за счет опирания его основаниями на пучащий слой почвы с одновременным силовым воздействием на него с обеих сторон выработки формируется на каждой из них опорный блок по линиям скольжения пород пучащего слоя почвы, нижнее основание которого ограничено контактом этого слоя со слоем устойчивых пород, причем на основании геометрических построений с учетом мощности пучащегося слоя почвы, ширины и длины основания несущего свода и угла наклона к горизонтали каждой линии скольжения пород в пучащем слое контур каждого опорного блока представляет собой усеченную пирамиду, поперечное сечение которой в плоскости сечения несущего свода имеет вид равнобедренной трапеции, а установку анкеров в почву выработки у ее бортов осуществляют в плоскости расположения анкеров несущего свода и под углом к горизонтали, соответствующим углу наклона диагонали трапеции к горизонтали, построенной для каждого опорного блока, при этом длину анкера в каждом опорном блоке принимают равной длине диагонали построенной трапеции, чтобы обеспечить укрепление пород пучащего слоя почвы в пределах опорного блока и за счет этого совместно с упомянутым несущим сводом создается зона укрепления пород вокруг контура выработки, способствующая ослаблению влияния горного давления на пучение почвы выработки, причем в качестве наклонных анкеров используют анкеры глубокого заложения любого известного конструктивного исполнения.
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 критерию изобретения «новизна».
Причинно-следственная связь между заявляемой совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом следующая.
Признак - «для снижения пучения почвы горной выработки обеспечивают повышение устойчивости пучащего слоя почвы выработки» - является новым и обеспечивает надежную защиту горных выработок от пучения почвы, сохраняя тем самым ее в эксплуатационном состоянии в условиях влияния очистных работ.
Признак - «для чего после определения мощности пучащего слоя почвы устанавливают анкеры по контуру свода выработки в промежутке между рамами постоянной крепи, по мере закрепления которых в шпурах с помощью ампул образуется несущий свод из укрепленных пород по контуру свода выработки с возможностью опирания его основаниями на пучащий слой почвы по обеим сторонам выработки за ее пределами» - является основополагающим и характеризует процесс укрепления пород вокруг контура свода выработки. Образовавшийся в результате выполнения этого процесса несущий свод из укрепленных пород опирается на пучащий слой и в дальнейшем воспринимает динамические нагрузки горного давления с последующим их перераспределением на почву выработки. Такой эффект достигается благодаря тому, что несущий свод представляет собой единую конструкцию, состоящую из породных блоков, образуемых вокруг анкеров после их закрепления в шпурах и связанных между собой за счет их сцепления.
Признак - «причем каждое основание несущего свода, являющееся его опорной поверхностью, имеет ширину, соответствующую длине упомянутого анкера, а его длина соотносится с принятой длиной участка укрепления пород вокруг выработки» - регламентирует параметры основания несущего свода, которые заявитель определяет с учетом положений нормативного документа по применению анкерной крепи, чтобы оно достаточно гарантированно воспринимало передаваемые на него нагрузки несущего свода. Причем принятую длину участка укрепления пород выбирают из условия соблюдения безопасности ведения подготовительных работ.
Признак - «при этом по мере образования несущего свода из укрепленных пород по контуру свода выработки за счет опирания его основаниями на пучащий слой почвы с одновременным силовым воздействием на него с обеих сторон выработки формируется на каждой из них опорный блок по линиям скольжения пород пучащего слоя почвы, нижнее основание которого ограничено контактом этого слоя со слоем устойчивых пород» - совместно с вышеуказанным признаком является основополагающим и позволяет создать опорные блоки в породах пучащего слоя почвы выработки, гарантированно предопределяя возможность их участия в перераспределении динамических нагрузок горного давления с целью снижения пучения почвы выработки.
Признак - «причем на основании геометрических построений с учетом мощности пучащегося слоя почвы, ширины и длины основания несущего свода и угла наклона к горизонтали каждой линии скольжения пород в пучащем слое контур каждого опорного блока представляет собой усеченную пирамиду, поперечное сечение которой в плоскости сечения несущего свода имеет вид равнобедренной трапеции» - введен заявителем в формулу изобретения, чтобы на основании геометрических построений получить объемное изображение опорного блока, которое в заявлемом способе имеет вид усеченной пирамиды, элементы которой необходимы для определения параметров установки наклонных анкеров в породы пучащего слоя выработки.
Признак - «а установку анкеров в почву выработки у ее бортов осуществляют в плоскости расположения анкеров несущего свода и под углом к горизонтали, соответствующим углу наклона диагонали трапеции к горизонтали, построенной для каждого опорного блока» - указывает на угол наклона установки анкера в почву выработки в каждом опорном блоке, который определен заявителем на основании вышеуказанных геометрических построений усеченной пирамиды и соответственно трапеции, угол наклона диагонали которой и есть угол наклона установки анкеров. Данный признак предопределяет возможность укрепления пород почвы в зонах максимальных напряжений у бортов выработки, что исключает передачу воздействия горного давления на породы почвы в средней части выработки, а это не может быть достигнуто в прототипе.
Признак - «при этом длину анкера в каждом опорном блоке принимают равной длине диагонали построенной трапеции, чтобы обеспечить укрепление пород пучащего слоя почвы в пределах опорного блока и за счет этого совместно с упомянутым несущим сводом создается зона укрепления пород вокруг контура выработки, способствующая ослаблению влияния горного давления на пучение почвы выработки» - регламентирует длину анкера и совместно с вышеупомянутым признаком задает требуемое согласно расчетам положение анкера, обеспечивая укрепление пород пучащего слоя выработки в пределах опорных блоков и совместно с ранее упомянутым несущим сводом происходит укрепление породы вокруг контура выработки, которое участвует в перераспределении статических нагрузок от влияния горного давления на почву выработки и не передает их на неукрепленный участок пород почвы в сечении выработки за счет создания опорной поверхности несущего свода. В результате этого сохраняется целостность почвы выработки и соответственно достигается повышение устойчивости пучащего слоя почвы. Указанного эффекта невозможно получить по прототипу, поскольку в нем отсутствуют средства, участвующие в перераспределении динамических нагрузок на почву выработки.
Признак - «причем в качестве наклонных анкеров используют анкеры глубокого заложения любого известного конструктивного исполнения» - необходим для реализации изобретения, поскольку наклонный анкер ориентирован в направлении диагонали трапеции (как это указано выше) с объемным охватом пересекаемых слоев пучащего слоя почвы, которое может быть достигнуто применением анкера глубокого заложения.
Таким образом, совокупность существенных признаков, характеризующая сущность заявляемого изобретения, позволит повысить устойчивость почвы выработки за счет укрепления пород вокруг контура выработки, способствующего перераспределению горного давления на почву выработки и соответственно ослаблению его влияния на пучение почвы.
Все перечисленные технические эффекты позволят решить поставленную задачу - повысить эффективность способа в борьбе с пучением почвы горных выработок и соответственно улучшить условия поддержания горных выработок.
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 критерию «изобретательский уровень».
Промышленная применимость заявляемого изобретения обосновывается нижеприведенным описанием к нему и чертежами на фигурах 1-3. При этом на фигурах 1-3 показаны:
на фиг.1 схематично показано расположение анкеров вокруг контура свода выработки и в пучащем слое почвы горной выработки, поперечный разрез;
на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1 (пунктирными линиями показано нижнее основание опорного блока в пучащем слое почвы выработки);
на фиг.3 - пример геометрических построений опорного блока в пучащем слое почвы выработки, имеющего вид усеченной пирамиды (стрелкой «Б» показано направление воздействия несущего свода на опорный блок), в аксонометрии.
Способ борьбы с пучением почвы горных выработок рассмотрен применительно к отдельному участку укрепления пород вокруг выработки и заключается в следующем.
Согласно заявляемому способу по мере проведения горной выработки 1 и ее крепления рамной крепью 2 на длине «L» заданного участка, являющегося участком укрепления пород вокруг выработки 1, определяют мощность «m» пучащего слоя 3 почвы 4 выработки 1, используя для этого один из известных способов определения свойств горных пород, например бурение скважин в почву с отбором керна.
Затем после определения мощности «m» пучащего слоя 3 почвы 4 выработки 1 по мере технологического отхода выработки 1 на длину, заданную паспортом крепления горной выработки и которая соответствует принятой заявителем длине «L» участка укрепления пород, после установки рамной крепи 2 осуществляют укрепление пород вокруг контура выработки 1.
Для чего бурят шпуры 5 по контуру свода выработки в промежутке между рамами 2 постоянной крепи и устанавливают в них анкеры 7 на длине «L». По мере закрепления анкеров 7 в шпурах 5 с помощью ампул с закрепляющим составом образуются породные блоки вокруг анкеров 7, связанные между собой за счет сил сцепления укрепленных пород, и за счет этого создается несущий свод 8 из укрепленных пород по контуру свода 6 выработки 1 с возможностью опирания его основаниями на пучащий слой 3 почвы 4 с обеих сторон выработки 1 за ее пределами.
Причем каждое основание 9 образованного таким образом несущего свода 8 приобретает следующие геометрические размеры: ширина основания 9 соответствует длине анкера 7, а его длина соотносится с принятой длиной «L» участка укрепления пород, соответственно выполняя функцию опорной поверхности для передачи горного давления на пучащий слой 3 почвы 4.
При этом, как только образуется несущий свод 8 из укрепленных пород по контуру свода 6 выработки 1, происходит его опирание основаниями 9 на пучащий слой 3 почвы 4 и соответственно силовое воздействие несущего свода 8 на упомянутый слой 3 с обеих сторон выработки 1, в результате чего формируется на каждой из них опорный блок 10 по линиям скольжения 11 пород пучащего слоя 3 почвы 4, расположенным под углом наклона «α». Нижнее основание 12 опорного блока 10 ограничено контактом пучащего слоя 3 и слоем 13 устойчивых пород (фиг.1, 2).
Далее приступают к укреплению пород пучащего слоя 3 почвы 4 в опорных блоках 10. Для чего вначале выполняют геометрические построения одного из опорных блоков 10 на основании следующих исходных данных: мощности «m» пучащего слоя 3 почвы 4, ширины и длины основания 9 несущего свода 8 и угла наклона «α» к горизонтали каждой линии скольжения 11 пород пучащего слоя 3 почвы 4, величина которого зависит от типа слагающих почву пород.
На основании выполненных геометрических построений устанавливают, что контур опорного блока 10 представляет собой усеченную пирамиду, вытянутую вдоль выработки 1 на длину «L» участка укрепления пород вокруг выработки (фиг.3, на которой стрелкой «Б» показано направление воздействия несущего свода 8 на опорный блок 10). Причем поперечное сечение усеченной пирамиды, согласно выполненным геометрическим построениям, в плоскости сечения несущего свода 8 имеет вид равнобедренной трапеции, при этом боковая поверхность усеченной пирамиды по длине «L» участка укрепления пород, образованная по линиям скольжения 11, имеет вид прямоугольника.
После графического построения усеченной пирамиды и соответственно равнобедренной трапеции для опорного блока 10, указанного на фиг.3, проводят в ней диагональ, начало которой соотносят к борту выработки 1 и по ее расположению в трапеции устанавливают значение ее угла наклона «β» к горизонтали. Аналогично выполнив геометрические построения для второго опорного блока 10, проводят диагональ в равнобедренной трапеции, которая также располагается под углом «β» к горизонтали, начало которой соотносят к другому борту выработки 1.
Затем в каждом опорном блоке 8 устанавливают анкеры 14 в почву 4 выработки 1 у ее бортов под углом к горизонтали, соответствующим углу наклона «β» диагонали каждой построенной трапеции к горизонтали. В свою очередь, наклонные анкеры 14 устанавливают в одной плоскости с анкерами 7 несущего свода 8, начало каждого из которых у борта выработки 1 находится вдоль принятой длины «L» участка укрепления пород вокруг выработки 1.
Причем длина анкера 14 в каждом опорном блоке 8 соответствует длине диагонали построенной трапеции.
Согласно фиг.3 места заложения анкеров 14 расположены вдоль верхнего вышеупомянутого прямоугольника усеченной пирамиды.
В результате за счет укрепления пород пучащего слоя 3 в каждом опорном блоке 10 и за счет укрепления пород в несущем своде 8 создается зона укрепления пород 16 вокруг контура выработки 1, которая, выполняя роль несущей конструкции, воспринимает воздействие горного давления и не передает его на неукрепленный участок почвы выработки в ее сечении, способствуя тем самым повышению устойчивости пород пучащего слоя 3 почвы 4 выработки 1.
Причем вследствие расположения наклонных анкеров 14 в каждом опорном блоке 10 в направлении диагонали трапеции, при котором происходит объемное укрепление пересекаемых анкером 14 слоев пучащего слоя 3 почвы 4, целесообразно в качестве наклонных анкеров 14 использовать анкеры глубокого заложения любого известного конструктивного исполнения, например канатные анкеры.
Аналогично описанному порядку укрепления пород вокруг контура выработки 1 на длине «L» заданного участка укрепления пород, способствующего перераспределению горного давления на пучащий слой 3 почвы 4, осуществляют укрепление пород вокруг контура выработки 1 на последующих участках укрепления пород вокруг контура выработки 1. В результате не происходит деформирование пород почвы на всем протяжении выработки 1 в процессе ее эксплуатации в условиях воздействия на нее динамических нагрузок, например от влияния очистных работ.
Таким образом, использование заявляемого способа позволит повысить эффективность борьбы с пучением почвы горных выработок за счет снижения пучения почвы выработки, обеспечиваемого повышением устойчивости пучащего слоя почвы, и соответственно увеличить период безремонтной эксплуатации горных выработок.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания изобретения
1. Авторское свидетельство СССР №1164432, кл. Е21Д 20/00, 1983.
2. Авторское свидетельство СССР №2019705, кл. Е21Д 20/00, 1991.
3. Авторское свидетельство СССР №1465592, кл. Е21Д 20/00, 1987.
4. Авторское свидетельство СССР №1703907, кл. Е21Д 20/00, 1990 г. (прототип).