СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК АНКЕРНОЙ КРЕПЬЮ
REINFORCEMENT METHOD OF MINE WORKINGS WITH ANCHOR SUPPORT

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам крепления горных выработок с помощью анкерной крепи, преимущественно выработок прямоугольной формы поперечного сечения, вмещающие породы которых сложены из неустойчивых пород, склонных к вывалообразованию.
Известен способ возведения анкерной крепи, включающий бурение в кровле ряда наклонных парных скважин, пересекающихся между собой на дне, а также бурение в промежутке между парными скважинами дополнительных наклонных скважин, образующих с парными скважинами дополнительные пересечения в средней их части, установку в скважинах пересекающихся анкерных стержней, из которых один продевают сквозь другой и соединяют их в месте пересечения, и заполнение скважин твердеющим материалом после установки анкерных стержней [1].
Недостатком известного способа является то, что, хотя он и предусматривает повышение несущей способности анкерной крепи за счет обеспечения ее равнопрочности, однако вследствие расположения наклонных парных и дополнительных скважин в одной плоскости с возможностью пересечения в средней их части, то есть там, где породы кровли, примыкающие к контуру выработки, сильно нарушены от влияния проведения подготовительных работ, возможно ухудшение сцепления анкерных стержней с закрепляемой породой, что снижает прочность их закрепления и соответственно не может быть обеспечено качественное анкерное крепление выработки.
Одновременно с этим следует отметить, что поскольку в качестве армирующих анкерных стержней используют канаты с крестовой свивкой, то вследствие способности каната к вытягиванию с течением времени и в связи с тенденцией смещений пород внутрь выработки под влиянием горного давления натяжение каната постепенно уменьшается, что приводит к снижению устойчивости пород на контуре выработки и соответственно к снижению надежности ее закрепления и поддержания при эксплуатации.
Кроме того, при этом способе требуется высокая точность бурения дополнительных наклонных скважин для обеспечения возможности их пересечения с наклонными парными скважинами, поскольку в случае отклонения скважин от заданного направления невозможна установка в них анкерных стержней. В связи с этим требуется выполнить работу по перебуриванию дополнительных наклонных скважин, что усложняет технологию крепления выработки.
Изложенные недостатки известного способа обуславливают неэффективность крепления горных выработок.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ крепления подготовительных выработок анкерной крепью, преимущественно выработок прямоугольной формы поперечного сечения, включающий бурение в процессе проведения выработки ряда наклонных скважин и установку в них анкеров с подхватами. Выработка поддерживается подхватами, которые анкеруются отдельными группами, состоящими из анкеров, наклоненных в сторону устья выработки и в сторону подготовительного забоя. Причем в каждую группу подхватов входит подхват с анкерами, наклонными на борта выработки [2].
Недостатком известного способа является то, что вследствие установки наклонных анкеров в двух подхватах каждой группы только в кровлю выработки у ее бортов и поддержания средней части выработки подхватами без анкеров не исключена возможность смещения нарушенных от проходки выработки пород внутрь выработки, поскольку не предусмотрено укрепление этих пород анкерами по сечению выработки.
В свою очередь, установка анкеров в третьем подхвате с наклоном на борта выработки, приводит к тому, что породы кровли в пределах сечения выработки оказываются также незакрепленными и поддерживаются только подхватами. В результате чего под воздействием горного давления происходит прогиб подхвата и соответственно прогиб породного слоя в середине выработки, способствуя тем самым развитию процесса расслоения и трещинообразования пород кровли, что может привести к вывалу пород внутрь выработки.
Отсюда следует, что принятая плотность установки анкеров в каждой группе подхватов не позволяет образовать несущий слой пород в кровле выработки, а поскольку этим способом не предусмотрено упрочнение бортов выработки, находящихся в пределах границы зоны возможного обрушения пород, поэтому не представляется возможность обеспечить надежное укрепление горных пород вокруг выработки.
Кроме того, реализация известного способа осуществляется в пределах группы отдельными этапами, то есть в процессе проходки выработки вначале анкеруется первый подхват, затем вновь проходится выработка и анкеруется второй подхват и далее аналогично анкеруется третий подхват. Такое поэтапное анкерование подхватов нельзя признать рациональным, поскольку приводит к неравномерному формированию нагрузки на анкера в пределах каждой группы, что существенно снижает эффективность поддерживающих функций анкерной крепи, в результате чего невозможно осуществить закрепление выработки.
Из изложенного следует, что известный способ, принятый за прототип, недостаточно эффективен при креплении горных выработок, поскольку не решает вопрос укрепления горных пород анкерами по контуру выработки, особенно в средней части ее сечения, где происходит наиболее интенсивный процесс расслоения пород кровли, что подтверждается, согласно теории горной геомеханики, эпюрой зоны возможного обрушения пород.
Задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в повышении эффективности крепления горных выработок за счет обеспечения возможности надежного и качественного закрепления выработок, обусловленного образованием зоны укрепленных пород по контуру выработки в пределах границы зоны возможного обрушения пород.
Технический результат, достижение которого обеспечивает решение поставленной задачи, выражается в создании грузонесущего свода вокруг выработки и соответственно в обеспечении устойчивого состояния укрепленных пород по контуру выработки на весь срок ее эксплуатации.
Для достижения поставленной задачи с заявляемым техническим результатом в способе крепления горных выработок анкерной крепью, преимущественно выработок прямоугольной формы поперечного сечения, включающем бурение в кровлю выработки в процессе ее проведения наклонных шпуров и установку в них анкеров с наклоном в сторону забоя выработки и в сторону ее устья, а также анкеров с наклоном на борта выработки, согласно заявляемому изобретению одновременно с бурением наклонных шпуров в кровлю выработки бурят наклонные шпуры в борта выработки, причем шпуры под анкера бурят в кровлю и бока выработки по заданной сетке анкерования горных пород, согласно которой установку упомянутых в шпурах наклонных анкеров осуществляют рядами, в каждом из которых анкера, наклоненные в сторону забоя выработки, и анкера, наклоненные в сторону устья выработки, устанавливают в шпурах в чередующемся порядке с соблюдением условия их расположения в шахматном порядке по отношению друг к другу в смежных рядах, что обеспечивает ориентирование этих наклонных анкеров навстречу друг другу между смежными рядами по контуру выработки, образуя совместно с анкерами, наклоненными на борта выработки, зону укрепленных горных пород по контуру выработки в пределах границы зоны возможного обрушения пород, при этом бурение наклонных шпуров и установку в них анкеров в каждом ряду по контуру выработки осуществляют вслед за подвиганием забоя на длину технологического отхода проводимой выработки, причем анкера, наклоненные в сторону забоя выработки и ее устья, устанавливают в шпурах под углом к продольной оси выработки, равным 65-70°, с возможностью их пространственного пересечения между рядами укрепляемых анкерами горных пород по контуру выработки.
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) 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 - «одновременно с бурением наклонных шпуров в кровлю выработки бурят наклонные шпуры в борта выработки, причем шпуры под анкера бурят в кровлю и борта выработки по заданной сетке анкерования горных пород, согласно которой установку в шпурах упомянутых наклонных анкеров осуществляют рядами» - является новым и поясняет, что сетка анкерования выполнена в виде отдельных рядов, в каждом из которых устанавливают наклонные анкера с разной пространственной ориентацией относительно друг друга по контуру выработки. Такая схема установки анкеров предопределяет возможность формирования несущей зоны из укрепленных анкерами пород по контуру выработки без пропусков неукрепленных участков пород в кровле и бортах выработки, что не может быть достигнуто в прототипе [2], которым предусмотрено укрепление пород кровли только у бортов выработки.
Признак - «…в каждом из которых (в каждом ряду) анкера, наклоненные в сторону забоя выработки, и анкера, наклоненные в сторону устья выработки, устанавливают в шпурах в чередующемся порядке с соблюдением условия их расположения в шахматном порядке по отношению друг к другу в смежных рядах, что обеспечивает ориентирование этих наклонных анкеров навстречу друг другу между смежными рядами по контуру выработки, образуя совместно с анкерами, наклоненными на борта выработки, зону укрепленных горных пород по контуру выработки в пределах границы зоны возможного обрушения пород» - является основополагающим и совместно с вышеуказанным признаком регламентирует порядок установки наклонных анкеров по контуру выработки, а именно в чередующемся порядке в каждом ряду при обязательном соблюдении условия их расположения в шахматном порядке относительно друг друга в смежных рядах.
Из этого следует, что заявляемый способ предусматривает повышенную плотность установки анкеров, по сравнению с прототипом [2], с образованием вокруг них породных блоков и вследствие их взаимного влияния посредством бокового распора между ними происходит эффект объемного охвата укреплением наклонными анкерами горных пород по контуру выработки. В результате этого образуется грузонесущий свод вокруг выработки, обеспечивающий устойчивое состояние горных пород по контуру выработки в пределах границы зоны возможного обрушения пород, что существенно влияет на надежность закрепления выработки.
Признак - «при этом бурение наклонных шпуров и установку в них анкеров в каждом ряду по контуру выработки осуществляют вслед за подвиганием забоя на длину технологического отхода проводимой выработки» - совместно с вышеуказанным признаком необходим для реализации заявляемого способа, поскольку позволяет всем наклонным анкерам воспринимать нагрузку сразу после их установки, в результате чего происходит равномерное ее распределение на эти анкера по контуру выработки после подвигания забоя, что способствует повышению эффективности поддерживающих функций анкерной крепи и соответственно качественному закреплению выработки.
В свою очередь, в прототипе [2] один цикл проведения и крепления выработки выполняют последовательно в три этапа с разной ориентацией анкеров на каждом из указанных этапов. Это не позволяет анкерам каждого этапа включаться в совместную работу одновременно, что снижает эффективность анкерного крепления горной выработки.
Признак - «причем анкера, наклоненные в сторону забоя выработки и ее устья, устанавливают в каждом ряду под углом к продольной оси выработки, равным 65-70°, с возможностью их пространственного пересечения между смежными рядами укрепляемых анкерами горных пород по контуру выработки» - регламентирует параметр установки наклонных анкеров в горных породах, который обеспечивает встречное ориентирование кровельных наклонных анкеров между смежными рядами с возможностью их пространственного пересечения в верхних слоях зоны возможного обрушения пород, менее подверженных влиянию проведения проходческих работ.
В результате этого улучшаются условия сцепления анкеров с закрепляемой породой, повышая тем самым прочность их закрепления. Такой эффект не может быть достигнут в прототипе [2], поскольку в нем пространственное пересечение наклонных анкеров между соседними подхватами происходит в нижних слоях зоны возможного обрушения пород, более нарушенных от воздействия проходческих работ.
В свою очередь, встречное ориентирование анкеров, устанавливаемых в бортах выработки, предотвращает отслоение боковых пород по линиям скольжения, являющимся границей зоны возможного обрушения пород, поскольку пространственное пересечение упомянутых анкеров находится за пределами указанной зоны.
Из вышеизложенного следует, что данный признак позволяет обеспечить устойчивое состояние укрепленных пород по контуру выработки.
Таким образом, совокупность существенных признаков, характеризующая сущность заявляемого изобретения, позволит обеспечить надежное и качественное закрепление выработок за счет образования зоны укрепленных горных пород по контуру выработки в пределах границы зоны возможного обрушения пород.
Все перечисленные технические эффекты позволят решить поставленную задачу - повысить эффективность крепления горных выработок и соответственно создать безопасные условия труда в выработках, вмещающие породы которых сложены из неустойчивых пород, склонных к вывалообразованию.
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 и чертежами к нему.
Сущность заявляемого способа поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 представлена схема крепления горной выработки, согласно которой наклонные анкера установлены в один ряд относительно контура выработки и зоны возможного обрушения пород (сплошными линиями показаны анкера, наклоненные на борта выработки, и проекции анкеров, наклоненных в сторону забоя выработки, а пунктирными линиями - проекции анкеров, наклоненных в сторону устья выработки), поперечное сечение;
- на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1, технологическая схема установки наклонных анкеров в рядах относительно забоя выработки и ее устья, вид в плане;
- на фиг.3 - разрез по Б-Б фиг.2, положение наклонных анкеров относительно друг друга в рядах в кровле и бортах вдоль выработки (стрелкой В показано направление проведения выработки), вертикальный разрез;
- на фиг.4 - фрагмент продольного разреза горной выработки с фиг.3, породные блоки вокруг кровельных наклонных анкеров (анкера с наклоном на борта выработки условно не показаны);
- на фиг.5 - часть поперечного сечения горной выработки с фиг.1 (проекции породных блоков вокруг наклонных анкеров);
- на фиг.6 - участок горной выработки прямоугольной формы поперечного сечения и сетка анкерования горных пород по описываемому способу (анкера условно не показаны в левом борту выработки относительно чертежа), в аксонометрии.
Способ крепления горной выработки анкерной крепью рассмотрен применительно к прямоугольной форме поперечного сечения выработки и заключается в следующем.
Согласно заявляемому способу по мере проведения горной выработки 1 вслед за подвиганием забоя 2 (на фиг.3 стрелкой В показано направление проведения выработки 1) на длину L технологического отхода проводимой выработки 1 в кровле и бортах (боках) бурят один ряд наклонных шпуров 3 в непосредственной близости у забоя 2 по заданной сетке анкерования горных пород.
При этом физическая основа по формированию заданной сетки анкерования горных пород заключается в том, что вследствие образования при проходке выработки нарушенной зоны, примыкающей к контуру выработки и имеющей повышенную трещиноватость с возможностью возникновения вывалов в промежутке между установленными анкерами, возникает необходимость установить в шпурах 3 наклонные анкера 4 и 5 так, чтобы обеспечить повышенный боковой распор между породными блоками, формирующимися вокруг каждого наклонного анкера после его установки, и соответственно противостоять смещению нарушенных пород в сечение выработки.
Это можно осуществить заявляемым способом за счет принятой сетки анкерования горных пород, согласно которой в пробуренные у забоя 2 в один ряд наклонные шпуры 3 анкера 4 устанавливают с наклоном в сторону забоя 2 выработки 1, анкера 5 устанавливают с наклоном в сторону устья выработки 1, а также анкера 6 устанавливают с наклоном на борта выработки 1. К анкерам 4, 5 и 6 крепят подхваты 7 (фиг.1).
Причем упомянутые наклонные анкера 4 и 5 располагают в шпурах 3 в чередующемся порядке в одном ряду у забоя 2 выработки 1 с соблюдением условия расположения анкеров 4 упомянутого ряда в шахматном порядке по отношению к анкерам 5 смежного ряда, тогда соответственно анкера 5 смежного ряда будут расположены в шахматном порядке по отношению к анкерам 4 упомянутого ряда.
В дальнейшем вслед за подвиганием забоя 2 на каждую очередную длину L технологического отхода проводимой выработки 1 повторяют описанный порядок бурения шпуров 3 и установку в них анкеров 4, 5 и 6 в один ряд по контуру выработки 1 (фиг.2 и 3).
Благодаря принятой сетке анкерования горных пород предусмотрена возможность ориентирования навстречу друг другу наклонных анкеров 4 и 5 между смежными рядами по контуру выработки 1, способствующая обеспечению пространственного пересечения этих анкеров 4 и 5 между смежными рядами, в результате чего происходит проявление эффекта объемного охвата укреплением наклонными анкера 4, 5 и 6 горных пород на каждой упомянутой длины «L» по контуру выработки 1. Такой эффект достигается благодаря проявлению сил сцепления анкеров 4, 5 и 6 с нарушенными породами по контуру выработки 1, обеспечивая за счет этого повышенный боковой распор между породными блоками 8, 9 и 10, сформировавшимися вокруг анкеров 4, 5 и 6 соответственно, что предотвращает смещение нарушенных пород в сечение выработки по всей ее длине (фиг.4 и 5).
На фиг.6 наглядно проиллюстрирована в соответствии с фиг.2 и 3 схема расстановки анкеров 4, 5 и 6 в каждом ряду по контуру выработки 1 с ориентированием анкеров 4 и 5 навстречу друг другу между смежными рядами.
Таким образом, выполнение указанной совокупности операций по установке в каждом ряду наклонных анкеров 4 и 5 с возможностью их ориентирования навстречу относительно друг друга между смежными рядами и анкеров 6, наклоненных на борта выработки 1, позволяет образовать зону 11 укрепленных горных пород по контуру выработки 1 в пределах границы зоны 12 возможного обрушения пород. Причем образованная таким образом упомянутая зона 11, выполняя функцию грузонесущего свода вокруг выработки 1, обеспечивает устойчивое состояние укрепленных горных пород по периметру выработки 1. Благодаря этому достигается надежное закрепление горной выработки 1 в процессе ее проведения.
Кроме того, при осуществлении заявляемого способа наклонные анкера 4, 5 и 6 воспринимают нагрузку сразу после их установки и работают в режиме равномерного распределения этой нагрузки на них по контуру выработки, поскольку их устанавливают в один ряд после подвигания забоя 2 на упомянутую длину L, повышая тем самым эффективность поддерживающих функций анкерной крепи и обеспечивая за счет этого качественное закрепление выработки, позволяющее сохранить проектное сечение выработки 1 на весь период ее эксплуатации.
Причем наклонные анкера 4 и 5 устанавливают в каждом ряду под углом α к продольной оси выработки, равным 65-70°, обеспечивая тем самым возможность пространственного пересечения кровельных анкеров 4 и 5 между смежными рядами в верхних слоях зоны 12 возможного обрушения пород, в которых порода менее нарушена от воздействия процесса проведения выработки 1. Это, в свою очередь, улучшает сцепление анкеров 4 и 5 с закрепляемой породой и соответственно повышает прочность их закрепления, что не позволяет образоваться прогибу закрепленных пород в верхних слоях указанной зоны 12, предотвращая тем самым развитие процесса расслоения и трещинообразования в нижних слоях закрепленных горных пород в кровле и бортах выработки 1.
Причем пространственное пересечение анкеров 4 и 5, устанавливаемых в бортах выработки 1, находится за пределами зоны 12 возможного обрушения пород, что существенно влияет на прочность их закрепления и исключает возможность отслоения пород в бортах выработки 1.
Таким образом, использование заявляемого способа позволит обеспечить надежное и качественное закрепление горных выработок за счет проявления эффекта объемного охвата укреплением анкерами горных пород по контуру выработки в пределах зоны возможного обрушения пород.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1286784, кл. Е21D 20/00, 1985 г.
2. Патент Российской Федерации №2368786, кл. Е21D 20/00, 2008 г. (прототип).