СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ ОСТРОУГОЛЬНЫХ СОПРЯЖЕНИЙ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
METHOD FOR FIXATION OF ACUTE-ANGLED COUPLINGS OF MINE TUNNELS

Изобретение относится к горному делу и строительству подземных сооружений в сфере крепления горных выработок и может быть использовано для обеспечения устойчивости коренной и примыкающей выработок в процессе их проведения в зоне остроугольной части сопряжения.
В данном случае сопряжение целесообразно разделить на две зоны:
B
1 - зона расширения коренной выработки (участок L, фиг.1);
C
2 - зона расхождения сопрягающихся выработок (участок L, фиг.1).
Предлагаемое изобретение относится ко второй зоне.
Известен способ крепления сопряжений горных выработок металлической крепью арочной, трапециевидной или круглой форм поперечного сечения, сущность которого заключается в установке рам крепи по мере проведения сопряжения выработок [Каратников В.Н., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. - М.: Недра, 1989, с.107-111].
Недостатки этого способа заключаются в том, что в нем не используется несущая способность массива пород вокруг выработок, особенно в остроугольной части сопряжения. Кроме того, такой способ крепления очень материалоемкий и трудоемкий. Рамную крепь возводят с отставанием от забоя, вследствие чего при проходке выработок, особенно в зоне их взаимного влияния, часто происходят вывалы пород, сопровождающиеся травматизмом.
Известен способ крепления сопряжений выработок [Широков А.П., Писляков Б.Г. Расчет и выбор крепи сопряжений горных выработок. - М.: Недра, 1978] анкерной крепью в сочетании с металлической рамной крепью, сущность которого состоит в том, что по мере проведения коренной и примыкающей выработок возводят анкерную крепь, а в промежутках между анкерами устанавливают металлические рамы. После закрепления сопряжения анкерной крепью в его остроугольной части возводят опору (бык) из бетона или металлических стоек. На него опирают верхняки рам сопрягающихся выработок.
Недостатки этого способа заключаются в том, что анкерная и рамная крепи имеют различные прочностные и деформационные характеристики и возводятся в разное время, вследствие чего они неравномерно воспринимают горное давление. К тому же, рамная крепь трудоемка в возведении.
Известен способ крепления сопряжений горных выработок [Патент: «Способ крепления сопряжений горных выработок», RU 2116454 (кл. E21D 11/36, 1998). Авторы: Штумпф Г.Г., Ануфриев В.Е., Гараев Ю.Д., Катаев З.М.], принимаемый за прототип, согласно которому во время возведения коренной и примыкающей выработок их кровлю и бока крепят анкерами первого уровня, а затем с отставанием на 20-30 м анкерами второго уровня, а остроугольную часть целика закрепляют сквозными анкерами при проведении примыкающей выработки.
Недостатки этого способа крепления сопряжений заключаются в том, что, во-первых, сквозные анкера в остроугольном породном целике устанавливают с отставанием от забоя примыкающей выработки, вследствие чего этот целик может быть разрушен в зоне активного взаимного влияния сопрягаемых выработок до установки и ввода в работу сквозных анкеров. Во-вторых, плотность расстановки и несущая способность этих анкеров принимаются вне зависимости от их удаленности от бетонной опоры (быка), степени его напряженности и размеров (протяженности) зоны существенного взаимного влияния выработок. Вследствие этого затраты и трудоемкость возведения сквозных анкеров неоправданно завышаются.
Техническим результатом предлагаемого способа является предварительное упрочнение остроугольного целика между разветвляющимися горными выработками с целью предотвращения его разрушения, и, как следствие, снижение опасности горнопроходческих работ.
Технический результат достигается тем, что установку глубинных анкеров в клиновидный целик между выработками в зоне их существенного взаимного влияния выполняют из коренной выработки в сторону примыкающей до начала проходки последней.
2
Также, технический результат достигается тем, что зону существенного взаимного влияния выработок разделяют на несколько участков и для каждого из них принимают (по расчету или по опыту) величины несущей способности и плотности расстановки анкеров с учетом постепенного снижения величины коэффициента k (см. ниже).
Также, технический результат может быть достигнут применением стеклопластиковых армирующих стержней для глубоких анкеров.
Целью изобретения является обеспечение устойчивости коренной и примыкающей выработок в процессе их проведения в зоне остроугольной части сопряжения путем предварительного упрочнения глубокими анкерами целика между выработками.
Установка глубинных анкеров в клиновидный целик между выработками в зоне их существенного взаимного влияния выполняется из первичной выработки в сторону вторичной выработки до начала проходки последней. Это обеспечивает предварительное упрочнение массива пород в остроугольном целике и повышение устойчивости сопрягающихся выработок, что особенно важно при проходке примыкающей выработки, когда происходит перераспределение напряжений в массиве пород вокруг сопрягающихся выработок. Повышение устойчивости приводит к повышению безопасности горнопроходческих работ.
Применение в качестве глубинных анкеров стеклопластиковых арматурных стержней позволит повысить долговечность анкерной крепи, так как стеклопластиковая арматура обладает лучшей коррозионной стойкостью к агрессивному химическому воздействию поземных вод.
Также, стеклопластиковая арматура обладает большей прочностью на растяжение по сравнению со стальной арматурой периодического профиля класса A-III. Вместе с тем, стеклопластиковая арматура имеет меньшую прочность на срез по сравнению со стальной арматурой, благодаря чему концы арматурных стеклопластиковых стержней, попавших в сечение примыкающей выработки, могут легко срезаться или отламываться исполнительным органом проходческой машины или зарядами ВВ в процессе проходки.
Для обоснования величины зоны существенного взаимного влияния сопрягающихся выработок воспользуемся следующими зависимостями.
1) Для оценки уровня напряженности массива пород у контура выработки и в остроугольном целике между ними авторами предлагается использовать критерий напряженности [Технология, механизация и организация проведения горных выработок. Б.В. Бокий, Е.А. Зимина, В.В.Смирняков, О.В.Тимофеев. Учебник для ВУЗов, 3-е изд. М.: Недра, 1983, 254 с.]:
где σ - напряжения нетронутого массива в зоне расположения проектируемой выработки, МПа;
1
k - коэффициент концентрации напряжений у контура проходимой выработки;
2
k - коэффициент концентрации напряжений от влияния других выработок;
c
R - предел прочности породы в образце, МПа;
с
k - коэффициент структурного ослабления пород в массиве за счет слоистости и трещиноватости;
ξ - коэффициент длительной прочности;
у
k - коэффициент упрочнения пород в массиве вследствие его анкерования.
в
у
в
в
в
в
у
По величине П оценивают первоначальную степень устойчивости пород без анкерования (k=1) и условно выделяют 4 категории: П<1,0 - устойчивое состояние; П=1,0-1,3 - предельное; П=1,3-3,0 - неустойчивое; П>3,0 - очень неустойчивое. При проектировании следует обеспечивать устойчивое или предельное состояние за счет упрочнения массива анкерованием (k=1,0-2,0), придания выработке рациональной формы сечения (сводчатой, эллипсовидной, круговой), применением прочных поддерживающих крепей и быстрым вводом их в работу.
2
2
При одностороннем сопряжении выработок допустимо принимать k=1,4 согласно [СниП II-94-80. Подземные горные выработки] в центре сопряжения. По мере удаления от него величина k приближается к единице.
2) Предлагаемый способ крепления сопряжений выработок включает также оценку протяженности зоны существенного их взаимного влияния и разделения этой зоны на 3-4 участка для экономного выбора несущей способности и плотности расстановки анкеров по мере удаления от центра сопряжения (точка А).
D
Максимальная зона существенного влияния выработок L (протяженная относительно центра сопряжения в точке A на фиг.1) определяется по формуле [Инструкция по креплению полевых горизонтальных и наклонных выработок шахт СУБРа. ОАО «Севуралбокситруда» и СПГГИ(ТУ). С.-Петербург, 1996, 57 с.]:
1
2
где B и B - ширина вчерне коренной и примыкающей выработок соответственно, м;
L
k - коэффициент учета прочности пород в массиве, глубины заложения выработки и ее ориентировки относительно направления простирания пород;
Ψ - угол остроугольной части целика относительно точки А (между ближними стенами выработок), град.
2
Зону существенного взаимного влияния сопрягающихся выработок разделяют на несколько участков и для каждого из них принимают (по расчету или по опыту) величины несущей способности и плотности расстановки анкеров с учетом постепенного снижения величины коэффициента k.
Схематично предлагаемый способ крепления изображен на чертежах.
На фиг.1 цифрами отмечены:
1-4 - зоны коренной выработки;
/
/
1-4 - зоны примыкающей выработки;
5-7 - зоны сопряжения, относящиеся к коренной выработке;
/
/
5-7 - зоны сопряжения, относящиеся к примыкающей выработке;
8 - ось коренной выработки;
9 - бетонный «утюг»;
10 - ось примыкающей выработки;
11 - глубокий анкер остроугольного целика;
12 - биссектриса сопряжения.
На фиг.2 цифрами отмечены:
1 - анкер первого уровня;
2 - анкер второго уровня.
На фиг.3 цифрами отмечены:
1 - глубокий анкер остроугольного целика.
Предлагаемый способ крепления анкерами остроугольного сопряжения горизонтальных выработок включает в себя следующие этапы выполнения работ.
B
Этап 1. Коренную выработку на участке L (см. фиг.1) проходят и закрепляют рядовыми анкерами (первого уровня) с планомерным увеличением ширины и высоты выработки до максимального размера (сечение B-B на фиг.1 и 2), при этом плотность расстановки анкеров также планомерно возрастает.
Этап 2. В центральной зоне сопряжения (зона точки А) устанавливают группу глубинных анкеров второго уровня) в кровле для повышения ее устойчивости.
Этап 3. На участке B-C коренной выработки упрочняют анкерами утюгообразную в плане зону массива B-C-C'-B', а при трещиноватых породах сооружают бетонную или железобетонную опору ("бык").
Этап 4. На участке CD из коренной выработки (до начала проходки примыкающей) выполняют предварительное упрочнение глубокими анкерами 3 (фиг.3) участка массива (остроугольный целик) между сопрягаемыми выработками в зоне их существенного взаимного влияния (фиг.1, 2, 3). При этом плотность расстановки глубоких анкеров (ГАЦ) планомерно уменьшают от точки C к точке D, а длину увеличивают с учетом положения в плане примыкающей выработки.
Этап 5. Проходку и крепление рядовыми анкерами примыкающей выработки выполняют после приобретения анкерами в разделительном целике и «утюге» постоянной прочности закрепления анкеров.