СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ ВЫРАБОТОК
METHOD FOR STRENGTHENING OF MINES

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при креплении и ремонте горных выработок в пластичных солевых породах.
Известен способ крепления горной выработки, включающий в установку рамной крепи с последующим подведением под ее верхняк усиливающей стойки, при этом перед установкой рамной крепи предварительно определяют глубину зоны расслоения вмещающих пород, в кровле выработки бурят скважину и устанавливают в ней опорный элемент, а усиливающую стойку устанавливают при интенсификации расслоения вмещающих пород в месте контакта верхняка рамной крепи с опорным элементом (РФ А.с. №1559175, МКИ Е21D 11/00, заявка №4454398/23, заявл. 05.07.88, опубл. 23.04.90, Бюл.№15).
В указанном способе опорный элемент выполнен жестким и полностью передает смещение пород кровли на податливую рамную крепь. При этом контур выработки деформируется (сжимается). Дополнительная стойка устанавливается на стадии начала деформации кровли выработки.
Известен способ крепления выемочной выработки, в котором крепление осуществляют несущими рамами и установленными с зазором относительно их верхняков дополнительными верхняками, причем дополнительные верхняки снабжены стойками, заведенными под концы дополнительных верхняков с образованием усиливающих рам, причем величина зазора между верхняками усиливающих и несущих рам равна величине прогиба консоли основной части кровли пласта (РФ А.с. 1509535, МКИ Е21D 11/00, заявка №4165323/23, заявл. 19.12.86, опубл. 23.09.89, Бюл. №35).
Недостатком указанного способа является то, что в связи с высокой прочностью соляных пород деревянные заостренные стойки не будут внедряться в почву выработки, а будет происходить их излом и соответственно произойдет нарушение контура выработки.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ крепления выработок, который включает установку металлической рамной крепи, поверх которой предусмотрена затяжка кровли досками, а для создания податливости поверх настила из досок выкладывают костры из круглого леса, заполняющие зазор между породами кровли и балками перекрытия (верхняками рамной крепи). (Реконструкция междушахтной транспортной сбойки рудника. Рабочий проект. Расчет: Выбор элементов рамной крепи. - Пермь. - 2007. - С.7, 10).
Однако этот способ не может обеспечить длительную сохранность выработок, т.к. он предусматривает использование жесткой четырехопорной костровой крепи, которая в результате ползучести солевых пород приведет к неуправляемой передаче нагрузок от пород кровли к рамной крепи, ее деформированию и последующему разрушению.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении нагрузок, передаваемых на рамную крепь, предотвращении расслоения пород кровли и обеспечивает длительное эксплуатационное состояние рамной крепи и самой выработки.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе крепления выработок, включающем определение глубины зоны расслоения вмещающих пород, последующую установку в выработке рамной жесткой крепи с оставлением пространства между верхняком рамной жесткой крепи и породами кровли выработки, которое заполняют податливой крепью с заданной и постоянной сопротивляемостью ее сжатию, согласно изобретению пространство между верхняком рамной жесткой крепи и кровлей выработки заполняют податливой четырехопорной костровой крепью, причем податливую четырехопорную костровую крепь устанавливают над верхняками рамной жесткой крепи в шахматном порядке, или пространство между верхняком рамной жесткой крепи и кровлей выработки заполняют податливыми элементами из металлических стоек трения с опорными плитами.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - вертикальный разрез горизонтальной выработки с рамной жесткой крепью, оснащенной податливыми четырехопорными кострами; на фиг.2 - вертикальный разрез горизонтальной выработки с рамной жесткой крепью, оснащенной податливыми элементами из металлических стоек трения с опорными плитами; на фиг.3 - схема расположения податливых костров на верхняках рамной крепи.
На чертежах обозначены: 1 - стойки жесткой рамной крепи; 2 - верхняки жесткой рамной крепи; 3 - податливая костровая крепь; 4 - металлическая стойка трения; 5 - верхняя опорная плита стойки трения; 6 - нижняя опорная плита стойки трения; 7 - затяжка.
Способ осуществляется следующим образом.
В горизонтальной выработке, пройденной в ползучих солевых породах, монтируют металлическую жесткую (неподатливую) крепь, состоящую из стоек 1 и верхняков 2. На верхняки 2 жесткой металлической крепи укладывают затяжку в виде настила из досок, а на нее до кровли выработки располагают или податливые четырехопорные костры 3 из дерева с расположением опорных углов на верхняках (фиг.1, 2), или податливые металлические стойки трения постоянного сопротивления.
При использовании податливых костров число рядов и их размеры (в плане) принимают исходя из ширины выработки и деформационной характеристики костров, обеспечивающих удержание пород кровли в результате ее обрушения (в пределах глубины зоны расслоения вмещающих пород, т.е. зоны возможного обрушения), а также несущей способности рамной крепи. Расчетные нагрузки, передаваемые через податливые элементы костровой крепи на верхняки жесткой рамной крепи, принимают исходя из необходимых усилий по поддержанию пород кровли (в пределах зоны возможного обрушения) в устойчивом состоянии и близкими к несущей способности рамной крепи.
Деформационная характеристика податливых костров, определяемая их балочной конструкцией, зависит от размеров костра (в плане), поперечных размеров и взаимного расположения податливых элементов деревянного костра. Величина податливости такого костра определяется числом податливых рядов и диаметром составных элементов костра.
Необходимую величину предельной податливости костра определяют по величине ожидаемой вертикальной конвергенции контура выработки за планируемый срок ее службы.
При размещении в выработке двух и более рядов податливых костров их располагают в шахматном порядке, что обеспечивает снижение нагрузок на верхняки металлической крепи (фиг.3).
Пример конкретной реализации способа приведен для условий рудника Второго Березниковского калийного рудоуправления ОАО «Уралкалий».
Горизонтальная выработка рудничного двора шириной 9 м пройдена 30 лет назад. Выработка была закреплена натяжными анкерами. В связи с расслоением солевых пород за 30-летний период возникла опасность обрушения пород кровли. Необходимо продление срока службы еще на 30 лет. Мониторинговыми наблюдениями установлена скорость вертикальной конвергенции контура выработки, составившая 20 мм/год. Анкерная крепь в данных условиях исчерпала свои возможности по поддержанию кровли выработки.
Продлить эксплуатационный срок службы выработки возможно за счет применения рамной жесткой (неподатливой) металлической крепи с размещенными между верхняком рамной крепи и кровлей выработки податливыми четырехопорными кострами из дерева или податливыми элементами из металлических стоек трения с опорными плитами.
Податливые костры или стойки трения обеспечивают постоянный подпор породам кровли и препятствуют ее обрушению. По мере опускания пород кровли в результате ползучести происходит сжатие податливых костров или стоек трения с передачей допустимых нагрузок на рамную крепь, что предохраняет рамную крепь от перегрузок и разрушения.
При использовании податливых костров их параметры обеспечивают передачу нагрузок от ползучести пород кровли на жесткую рамную крепь, причем нагрузки не превышают несущую способность рамной крепи.
Для условий рассматриваемой околоствольной выработки шириной 9 м определены следующие параметры крепи, обеспечивающие поддержание пород в пределах зоны возможного обрушения.
Высота зоны возможного обрушения пород для выработок шириной 9,0 м, пройденных комбайном «Урал-20Р» в солевых породах, составляет 4,2 м, что соответствует нагрузке на крепь при обрушении пород 25 т/м выработки. По величине нагрузки на крепь от обрушения пород непосредственной кровли определены основные параметры крепи:
шаг установки рам - 1,5 м;
верхняк - двутавровая балка №40 длиной 9 м.
Для конкретных условий расчет параметров податливого костра осуществляется по формуле:
где Р - усилие сжатия костровой крепи; n- число податливых рядов костровой крепи; u- абсолютная деформация костровой крепи; Е- эффективный модуль упругости дерева при изгибе; a- расстояние между осями элементов основания костровой крепи; b - расстояние между осями податливых элементов костровой крепи; d- диаметр деревянного элемента костровой крепи.
Для вышеуказанных условий размеры податливого костра, обеспечивающего поддержание пород непосредственной кровли, составляют:
длина - 3,0 м;
ширина - 3,0 м;
высота - 0,8 м;
диаметр деревянных элементов костра - 0,2 м.
Данные параметры обеспечивают:
несущую способность податливого костра в рабочем диапазоне сжатия - 300 кН (30 тс);
рабочий диапазон сжатия костра - 0,6 м;
нагрузку на одну балку - 150 кН (15 тc).
Размещение податливых костров в шахматном порядке обеспечивает снижение нагрузок на верхняки металлической крепи. При наличии 9-мерового (и более) пролета выработки податливая костровая крепь устанавливается в 2 ряда исходя из размеров выработки и костров. При меньших пролетах выработки возможна установка податливой костровой крепи в один ряд по оси выработки. Расстояние между кострами в ряду определяется расстоянием между рамами крепи.
Продлить эксплуатационный срок службы выработки также возможно за счет применения рамной жесткой (неподатливой) металлической крепи с податливыми металлическими стойками трения постоянного сопротивления.
На верхняки 2 рамной жесткой металлической крепи укладывают затяжку и монтируют податливые элементы из металлических стоек трения, оснащенные верхними 5 и нижними 6 опорными плитами (фиг.2).
Число металлических стоек трения, монтируемых над верхняками рамной крепи, принимают исходя из условия поддержания пород в пределах зоны возможного обрушения.
Необходимую величину окончательной податливости металлических стоек трения принимают по величине ожидаемой вертикальной конвергенции контура выработки за планируемый срок ее службы.
Податливые металлические стойки трения постоянного сопротивления обеспечивают постоянный подпор породам кровли и препятствуют ее обрушению. По мере опускания пород кровли в результате ползучести происходит сжатие металлических стоек трения, что предохраняет рамную жесткую часть крепи от перегрузок и разрушения.
Для условий рассматриваемой околоствольной выработки шириной 9 м рассчитаны следующие параметры податливой части крепи:
шаг установки рам - 1,5 м;
верхняк - двутавровая балка №40.
Исходя из минимального зазора между верхняком и породой кровли выработки выбираем стойки со следующими параметрами:
сопротивляемость стоек трения сжатию принимаем по технической характеристике стойки, которая составляет 35 кН (3,5 тc);
ход сжатия стоек трения - 0,6 м, исходя из расчетного 30-летнего срока службы рамной крепи и скорости вертикальной конвергенции контура выработки (в конкретном случае - 20 мм/год).
На основании определенной ранее нагрузки на рамную крепь, равную 150 кН, число металлических стоек трения, устанавливаемых над одним верхняком, - 4. Стойки распределяются равномерно по длине верхняка рамной крепи.
По мере опускания пород кровли в результате ползучести происходит сжатие податливых костров или стоек трения с передачей допустимых нагрузок на рамную крепь, что предохраняет рамную крепь от перегрузок и разрушения.
Геомеханические расчетами производились с использованием лицензионной программы ANSYS.
Применение рамной крепи с податливыми кострами или с податливыми стойками трения постоянного сопротивления обеспечивает устойчивое состояние выработки в последующие расчетные годы ее эксплуатации (30 лет).