СПОСОБ ОХРАНЫ СОПРЯЖЕНИЙ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ С ГОРНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ В СОЛЕВЫХ ПОРОДАХ
METHOD OF PROTECTION OF JUNCTIONS OF VERTICAL SHAFTS WITH MINE WORKINGS IN SALT ROCKS

Изобретение относится к горному делу, а именно к разгрузке соляного породного массива в сопряжениях горных выработок, в частности сопряжений шахтных стволов с горизонтальными выработками.
5
Известен способ охраны сопряжения вертикального ствола с горизонтальной выработкой (а.с. СССР 1735589, МКИ E21D 1/00, опубл. БИ №19, 1992 г.), включающий проходку кольцевой выработки и бурение из нее продольных скважин, при этом для повышения эффективности охраны из кольцевой выработки между поперечными скважинами бурят полувееры радиально-поперечных скважин, причем раскрытие каждого полувеера обеспечивают в пределах зоны повышенных напряжений вокруг сопряжения.
Недостатком указанного способа является низкая эффективность разгрузки соляного породного массива в сопряжении горных выработок. Кроме того, расчеты методом конечных элементов в плоской и объемной постановке показали весьма незначительное снижение интенсивности ползучести приконтурных пород, что делает данный способ не приемлемым для практической реализации.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является способ щелевой разгрузки, в котором длительную устойчивость жесткой крепи ствола и приствольных выработок обеспечивают путем проведения продольных щелей во вмещающих породах. В почве и кровле околоствольной выработки проходят две-четыре щели глубиной, равной радиусу ствола (Парфенов А.П. Разгрузка крепи вертикального ствола. /А.П.Парфенов, П.Г.Гаркушин. // Шахтное строительство. - 1984. - №11. - с.20.).
Недостатком этого способа является ограниченная (равная радиусу шахтного ствола) глубина щелей, которая не обеспечивает разгрузку высоких сопряжений, например дозаторных камер, высота которых превышает диаметр шахтных стволов в 2 (и более) раза. Кроме того, способ не определяет расположение щелей относительно сопряжения и не обеспечивает избирательность разгрузки защищаемых зон сопряжения.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности разгрузки за счет определения рациональных размеров разгрузочных щелей и их расположения относительно защищаемых зон сопряжения.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе охраны сопряжений вертикальных шахтных стволов с горными выработками в солевых породах, включающем проведение парных вертикальных разгрузочных щелей во вмещающих породах, разгрузочные щели образуют с противоположных сторон защищаемой зоны сопряжения из технологической выработки, проходимой на расстоянии от крепи сопряжения, равном 0,8-2,0 диаметра ствола, причем разгрузочные щели создают сплошными и их ширина и высота соответствуют размерам защищаемой зоны сопряжения. Разгрузочную щель образуют механическим способом с использованием канатной пилы или буровзрывным способом бурением ряда чередующихся скважин, компенсационных и взрывных, с последующим взрыванием последних.
Сущность предлагаемого изобретения при использовании буровзрывного способа образования разгрузочных щелей поясняется чертежами, где:
на фиг.1 - а) зависимость смещения породного массива в точках А и В при расположении щели на расстоянии 6 м (0,85 диаметра ствола) от дозаторной камеры; б) схема расположения разгрузочной щели относительно дозаторной камеры с изолиниями смещений породного массива и расположением точек А и В при Т=20 год;
на фиг.2 - а) зависимость смещения породного массива в точках А и В при расположении щели на расстоянии 14 м (2 диаметра ствола) от дозаторной камеры; б) схема расположения разгрузочной щели относительно дозаторной камеры с изолиниями смещений породного массива при Т=20 год;
на фиг.3 - вертикальный разрез части ствола с дозаторной камерой и подходной выработкой;
на фиг.4 - разрез А-А на фиг.3;
на фиг.5 - схема создания вертикальной щели буровзрывным способом.
На чертежах обозначены: 1 - шахтный ствол, 2 - дозаторная камера, 3 - подходная выработка, 4 - кольцевая технологическая выработка, 5 - разгрузочная щель, 6 - компенсационные скважины, 7 - взрывные скважины;
А и В - точки максимальных смещений контуров: А - на защищаемом узле, В - на внутреннем относительно защищаемого объекта контуре щели.
Величина горизонтальной составляющей горного давления в пластичных соляных породах достигает величин, превышающих вертикальную составляющую, что при значительных площадях обнажения боковых элементов крепи сопряжений, часто в несколько раз превышающих величину обнажений кровли, приводит к их разрушению, поэтому защите сопряжений шахтных стволов и горизонтальных выработок придается большое значение. Геомеханическими расчетами установлено, что щелевая разгрузка при определенных размерах и расположении относительно защищаемого объекта может полностью устранить конвергенцию стенок, например, дозаторной камеры. На фиг.1а приведены зависимости смещений породного массива в точках А и В до образования разгрузочной щели (Т=0-14 лет) и после ее образования (Т=14-20 лет) при расположении щели на расстоянии 0,85 диаметра ствола от сопряжения. Из чертежа видно, что после образования щели (Т=14 год) контур сопряжения в точке А смещается в сторону разгрузочной щели, а точка В, расположенная на контуре щели со стороны сопряжения, интенсивно смещается внутрь щели с увеличенной скоростью. Причем с уменьшением расстояния от щели до защищаемого сопряжения скорость смещения массива в точках А и В интенсивно нарастает и уменьшение расстояния от щели до сопряжения (менее 0,8 диаметра ствола) нецелесообразно.
На фиг.1б приведены эпюры смещений породного массива после образования разгрузочной щели при Т=20 год.
На фиг.2а и 2б приведены аналогичные зависимости и эпюры смещений, но при расположении щели на расстоянии 2-х диаметров ствола от защищаемого сопряжения. При удалении разгрузочной щели на расстояние до 2 диаметров крепи ствола смещение вмещающих узел сопряжения пород между крепью и разгрузочной щелью направлены внутрь щели, что приводит к уменьшению давления на крепь (разгрузке).
Из анализа полученных зависимостей смещения породного массива можно сделать вывод, что верхний предел (2,0 диаметра) является граничным и расположение выработки за данными пределами становится недостаточно эффективным и не оказывает необходимого влияния на разгрузку сопряжения.
Аналогичным образом установлены оптимальные размеры щели по высоте и ширине. При длине щели менее чем размеры узла сопряжения эффективность разгрузки по критерию смещений пород за крепью узла сопряжения уменьшается. Наибольший эффект разгрузки достигается при размерах щели, не меньших размеров сопряжения шахтного ствола с дозаторной камерой.
Щели выполняются сплошными для того, чтобы не возобновлялась конвергенция пород, а их расположение с противоположных сторон обеспечивает равномерность их действия на защищаемую зону.
Осуществление способа показано на примере охраны сопряжения шахтного скипового ствола с дозаторной камерой, размещаемых в солевых породах.
Способ осуществляется следующим способом.
Дозаторная камера 2 скипового шахтного ствола 1 располагается ниже основного транспортного горизонта (фиг.3). Сохранность сопряжения вертикального ствола с дозаторной камерой осуществляется при помощи щелевой разгрузки, осуществляемой проведением парных вертикальных разгрузочных щелей 5 во вмещающих породах. Для обеспечения возможности создания защитных вертикальных щелей проходят технологическую, например кольцевую, выработку 4 на уровне почвы подходной выработки на расстоянии 0,8-2,0 диаметра ствола от крепи ствола и стенок дозаторной камеры, из которой бурят вертикальные компенсационные 6 и взрывные 7 скважины (фиг.5). При образовании разгрузочной щели на расстоянии, меньшем 0,8 диаметра ствола, породный массив, расположенный между стволом и щелью, разрушается, а при расстоянии более 2,0 разгрузка неэффективна.
Разгрузочные щели 5 образуют с противоположных сторон защищаемой зоны сопряжения из технологической выработки бурением ряда чередующихся скважин, компенсационных 6 и взрывных 7, с последующим взрыванием последних.
В результате перечисленных операций в соляном массиве образуется сплошная разгрузочная щель (фиг.4), защищающая сопряжение шахтного ствола с дозаторной камерой от горизонтальной составляющей горного давления, направленной на наиболее опасное породное обнажение.
Диаметр компенсационных 6 и взрывных 7 скважин, образующих разгрузочную щель, а также расстояние между скважинами определяют расчетным путем по известным методикам в зависимости от типа взрывчатого вещества, величины заряда, прочностных свойств породного массива и диаметра компенсационных скважин (Соловьев В.А. Эффективное применение самоходного оборудования на подземных горных работах. - Пермь. - 2005. - С.284-288). Исходя из необходимой величины заряда наиболее предпочтительный диаметр компенсационных скважин находится в диапазоне 160-350 мм, взрывных 40-75 мм.
Пример конкретной реализации приведен для условий рудника «Интернациональный» АК «АЛРОСА» ЗАО.
Дозаторная камера скипового ствола с подводной конвейерной выработкой расположена в солевых породах на глубине 801 м от дневной поверхности. Высота дозаторной камеры в месте сопряжения со стволом имеет высоту 16,0 м, закреплена монолитным бетоном и разрушается под действием горного давления и в связи с ползучестью солевых пород.
В результате шахтных наблюдений с использованием реперных станций, установленных на сопряжении скипового ствола с дозаторной камерой и в подходном конвейерном штреке, определена величина конвергенции бортов выработок, которая составила около 20 мм/год и вызвала разрушение монолитной бетонной крепи.
Параметры буровзрывных работ для образования разгрузочных щелей определяют расчетным методом.
Буровзрывные работы с учетом имеющихся в наличии технических средств бурения включают:
- бурение вертикальных компенсационных скважин диаметром 165 мм с шагом 700 мм, осуществляемое, например, самоходным буровым станком СММ2-А;
- бурение вертикальных взрывных скважин диаметром 76 мм, располагаемых между компенсационными скважинами, буровым станком, например НКР-100;
- тип ВВ - аммонит Т-19, удельная величина заряда ВВ - 3,6 кг/м скважины.
Расстояние от разгрузочной щели до защищаемого сопряжения принимается максимальным (равняется 2-м диаметрам ствола) по условию уменьшения динамической нагрузки на ствол при производстве взрывных работ по ее образованию.
Проведенные контрольные геомеханические исследования показали, что щелевая разгрузка полностью устраняет конвергенцию стенок дозаторной камеры. Кроме того, щелевая разгрузка не оказывает существенного влияния на скорость конвергенции стенок подходной выработки 3 и крепи шахтного ствола выше и ниже сопряжения в связи с тем, что происходит перераспределение напряжений с поверхности породного массива в глубину.
Использование предлагаемого технического решения позволяет значительно повысить эффективность разгрузки сопряжения вертикального шахтного ствола и горных выработок.