СПОСОБ РЕМОНТА ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В СОЛЯНЫХ ПОРОДАХ
METHOD OF REPAIRING MINE WORKING IN SALT DEPOSITS

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для крепления горных выработок.
Известен способ крепления выработок (Пат.2308599 Российская Федерация, МПК Е21D 11/00. - З. №2004101437/03, заявл. 19.01.2004, опубл. 20.10.2007), который предусматривает бурение шпуров в закрепляемый массив, установку в них анкеров и возведение постоянной крепи, причем шпуры ориентируют круто-наклонно в сторону нетронутого массива, при этом в качестве постоянной крепи используют металлическую многозвенную крепь трапециевидного сечения, каждая рама которой содержит верхняк, угловые звенья и стойки, причем бурение шпуров под анкеры осуществляют на месте установки будущей рамы крепи. Для чего через отверстия в верхняке в кровлю бурят восходящие шпуры, устанавливают анкеры, прикрепляют верхняк к кровле посредством анкеров, а затем присоединяют угловые звенья и стойки крепи.
Этот способ имеет следующие недостатки:
1. При длительной эксплуатации выработок в породах кровли образуются расслоения и заколы. В результате вывалообразования выработка приобретает неправильную форму, что исключает при ведении ремонтных работ прикрепление к кровле верхняков с использованием анкеров;
2. Наличие в конструкции крепи металлических стоек вызывает повышенный расход металла на крепление выработок;
3. Наличие стоек в конструкции крепи уменьшает площадь поперечного сечения выработки и ее транспортного габарита, что не всегда технически возможно при ведении ремонта горной выработки или вызывает необходимость проведения дополнительных работ по ее расширению, что весьма трудоемко.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ крепления подготовительных выработок (Пат. 2338880 Российская Федерация, МПК E21D 11/00. - З. №2007112540/03, заявл. 04.04.2007, опубл. 20.11.2008), включающий бурение скважин в боках подготовительной выработки, установку верхняков в эти скважины и укладку на верхняки затяжки, причем в скважины устанавливают составные верхняки и соединяют их хомутами, а под верхняки в скважины досылают мягкую оболочку и подают в нее сжатый воздух, поднимают до контакта верхняков со стенками скважины и распирают концы верхняков в скважинах, а затяжку распирают между верхняками и кровлей пласта, а после опускания пород кровли под действием горного давления до контакта нижней части верхняков со стенками скважины мягкую оболочку разгружают и извлекают из скважины.
Однако этот способ имеет недостаток, заключающийся в том, что необходимо применение пневмобаллонных оболочек, которые имеют весьма ограниченный срок службы и не могут быть использованы для крепления выработок с многолетним сроком службы (20-40 лет).
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в сокращении расходования металла на поддержание в эксплуатационном состоянии горных выработок в солевых породах и исключении уменьшения транспортного габарита горной выработки.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе ремонта выработок в соляных породах, включающем бурение горизонтальных скважин в боках подготовительной выработки, установку верхняков и укладку на верхняки затяжки, в скважинах устанавливают трубчатые консольные опорные узлы, с одной стороны жестко соединяют их с продольными балками, на которые укладывают верхняки с затяжкой, после чего производят заполнение закрепного пространства породой или кострами из дерева.
Опорный узел изготавливают трубчатым и располагают в скважине на глубину не менее 1,0 м, а продольные балки изготавливают из стальной полосы или двутавра. Кроме того, минимальный внешний диаметр трубы консольного узла определяют из соотношения
min
p
2
D=2,55Р/(σb),
min
где D - минимально допустимый внешний диаметр трубы;
Р - суммарная нагрузка от горного давления на консольный узел крепления;
р
σ - предел прочности соли на растяжение;
2
b - длина части трубы, расположенная внутри массива.
Незакрепляемый торец верхняка располагают на расстоянии 50-100 мм от стенки горной выработки для обеспечения податливости крепи в результате горизонтальной конвергенции породного контура выработки.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - конструкция рамной крепи с прикреплением верхняков к стенкам горной выработки; на фиг.2 - схема узла крепления рамной крепи к стенке камеры с продольным двутавром; на фиг.3 - схема узла крепления рамной крепи к стенке камеры с продольной полосой; фиг.4 - схема расположения в выработке консольных опорных узлов с продольными двутавровыми балками и верхняками (горизонтальный разрез по верхнякам крепи); на фиг.5 - то же с продольными стальными полосами; на фиг.6 - область неупругих деформаций в стенках выработки в начальный период установки крепи; на фиг.7 - развитие областей неупругих деформаций в стенках выработки в период средней стадии эксплуатации горной выработки; на фиг.8 - то же на завершающей стадии эксплуатации выработки.
На чертежах: 1 - трубчатый опорный узел; 2 - скважина; 3 - продольная двутавровая балка; 4 - верхняк; 5 - затяжка; 6 - костер из дерева; 7 - опорная пластина; 8 - косынка; 9 - продольная стальная полоса.
Способ ремонта горной выработки осуществляется следующим образом.
Вначале производится «оборка» заколов в горной выработке, затем в стенки выработки бурят горизонтальные скважины 2 глубиной более 1,0 м, туда вставляют трубчатые опорные узлы 1 (фиг.1), на которые укладывают продольные двутавровые балки 3 (фиг.2) или продольные стальные полосы 9 (фиг.3). При меньшем заложении трубчатого опорного элемента не обеспечивается надежность его крепления.
При пересечении выработок, когда невозможна установка опорных узлов над верхняками, в качестве продольных балок используют двутавровый профиль (фиг.4), что повышает надежность крепления. При применении в качестве продольных балок двутаврового профиля верхняки могут устанавливаться как непосредственно над трубчатыми опорными узлами, так и между ними. При применении продольной стальной полосы (фиг.5) верхняки устанавливают над каждым трубчатым опорным узлом.
Продольные двутавровые балки 3 или продольные стальные полосы 9 жестко прикрепляют к трубчатым опорным узлам 1. Для повышения жесткости трубчатого опорного узла его усиливают дополнительными элементами: опорной пластиной 7 и косынкой 8. Сверху на продольные двутавровые балки или продольные стальные полосы укладывают верхняки 4 с обеспечением с одной стороны зазора между торцом верхняка и стенкой выработки не менее 50-100 мм для обеспечения податливости породного контура выработки в горизонтальной плоскости. С противоположной стороны верхняк 4 жестко прикрепляют к продольной двутавровой балке 3 или продольной стальной полосе 9. Сверху на верхняки 4 укладывают затяжку 5, а свободное закрепное пространство заполняют или кострами из дерева 6 (фиг.1), или отбитой горной породой.
Выполнена оценка напряженно-деформированного состояния окружающего горного массива с применением программного комплекса ANSYS.
Динамика роста областей неупругих деформаций в пластичном соляном массиве с увеличением нагрузки в результате ползучести соляных пород и времени ее действия показана на фиг.6 - фиг.8. На фиг.6 показаны начальные области неупругих деформаций (в углу и над трубчатым опорным узлом), а также в трубе, в месте ее контакта с опорной плитой. На фиг.7 показано развитие неупругих деформаций (область в углу выработки соединилась с концом трубы и охватила участок боковой стенки от кровли до узла крепления). В окрестности трубы (сверху и внизу) возникло упругое ядро. С ростом нагрузок на опорный узел (или увеличения времени эксплуатации) может произойти вылом упругого ядра (фиг.8). В целом по фиг.6 - фиг.8 прослеживается характер развития областей неупругих деформаций во времени в результате ползучести солевых пород, что позволило определить время устойчивого состояния горной выработки.
На основании расчетов напряженно-деформированного состояния горного массива, окружающего горную выработку, получена формула для определения минимального диаметра трубчатой части опорного узла, учитывающая длину части трубы опорного узла, расположенной в скважине, которая имеет вид:
min
p
2
D=2,55P/σb,
где Dmin - минимальный внешний диаметр трубы;
Р - суммарная нагрузка на узел крепления;
р
σ - предел прочности соли на растяжение;
2
b- длина части трубы, расположенная в скважине.
2
max
2 max
Установлено, что существует эффективная длина b, превышая которую не уменьшается величина действия трубы на массив. Рациональная величина b составляет около 1,0 м.
Остальные параметры трубчатого узла крепления, в том числе и толщины стенки на смятие, определяются обычными техническими расчетами. Так, например, толщину стенки трубы консольного узла крепления определяют по формуле:
где Н - толщина стенки трубы;
Р - суммарная нагрузка на узел крепления;
min
D - наружный диаметр трубы (D>D);
T
σ - предел текучести материала трубы.
Применение данного способа ремонта горных выработок в соляных породах позволяет продлить срок их службы в 1,5-2,0 раза без изменения транспортного габарита по ширине и сократить объем металла, используемого на поддержание в эксплуатационном состоянии горных выработок.