СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
METHOD TO SUPPORT MINES

Изобретение относится к горной промышленности, а более конкретно к способам поддержания подземных горных выработок в условиях влияния очистных работ с сохранением для повторного использования при бесцеликовых схемах отработки угольных пластов.
Известен способ поддержания горных выработок, сохраняемых для повторного использования, включающий размещение вдоль конвейерной выработки под рамами постоянной арочной крепи, крепи усиления позади очистного забоя на границе с выработанным пространством в зоне активных смещений пород, состоящей из двух опорных элементов, например из двух стоек (трения или гидростоек), установленных на одном основании под разными углами наклона к горизонту. В свою очередь, один из опорных элементов устанавливают вертикально у забоя, а изменение направления сил сопротивления крепи усиления осуществляют изменением отклонения другого опорного элемента от вертикали в сторону выработанного пространства, которое (отклонение) увеличивают вдоль выработки от забоя до зоны стабилизации сдвижения горных пород по мере уплотнения обрушенных пород. Причем одновременно с ведением очистных работ оба опорных элемента крепи усиления выработки устанавливают под рамы арочной крепи впереди очистного забоя в зоне влияния опорного давления этого забоя (1).
Недостатком известного способа является то, что хотя он и предусматривает усиление крепи выработки впереди очистного забоя, тем не менее интенсивно продолжается процесс возрастания смещений пород кровли выработки вследствие того, что под действием сил горного давления возрастает напряженное состояние горного массива по сравнению с напряженным состоянием нетронутого массива после проведения выработки. В связи с этим интенсифицируется процесс деформирования и разрушения пород кровли выработки, не обеспечивая тем самым противодействия силам горного давления и соответственно ухудшая условия поддержания выработки, сохраняемой для повторного использования.
Другим недостатком этого способа является то, что, поскольку после выполнения каждого цикла по выемке угля производят в пределах зоны активных смещений пород переустановку стоек крепи усиления для изменения их угла отклонения от вертикали, это приводит к снижению несущей способности не только крепи усиления, но и основной крепи выработки, не обеспечивая тем самым возможность довести кровлю выработки до устойчивого состояния. В результате чего ухудшаются условия противостояния развивающемуся процессу трещинообразования в породах кровли выработки в зоне влияния выработанного пространства за очистным забоем, что сказывается на работоспособности крепи выработки в части сохранения ее нормативно-эксплуатационных параметров, т.е. высоты и ширины выработки. Отсюда следует, что данный способ для поддержания выработки, сохраняемой для повторного использования при бесцеликовой схеме отработки угольных пластов, малоэффективен.
Известен способ крепления горной выработки, предусматривающий усиление анкерной крепи для поддержания выработки в зоне влияния очистных работ. Согласно данному способу производят усиление крепи, ранее образованной при проходке из анкеров первой очереди с петлями на концах хвостовиков, путем установки более длинных анкеров второй очереди, устанавливаемых в шпурах, пробуренных в кровле и боках выработки в шахматном порядке по отношению к анкерам первой очереди. Причем к хвостовикам анкеров первой очереди подвешивают металлическую решетку, а прижимают ее к поверхности выработки анкерами второй очереди (2).
Существенным недостатком известного способа является то, что, поскольку шпуры под длинные анкеры второй очереди бурят в зоне влияния очистных работ, когда породы кровли выработки уже разрушены (особенно в зоне максимума опорного давления), то в этом случае в той или иной степени могут быть нарушены стенки шпуров (либо пересыпаны разрушившимися породами, либо отдельные участки шпура могут быть смещены), а поэтому ввести длинные анкеры второй очереди на большую глубину не представляется возможным, особенно в неустойчивые породы кровли выработки. Отсюда следует, что применение данного способа не может эффективно повлиять на устойчивое состояние кровли выработки в упомянутой зоне.
Другим недостатком данного способа является то, что, даже если стенки шпуров не будут нарушены и длинные анкеры второй очереди обеспечат «подшивание» слоев пород кровли выработки к более устойчивым ее слоям пород, однако факторы, вызывающие обрушение кровли сохраняются вследствие того, что в зоне влияния очистных работ процесс разрушения пород кровли сопровождается развитием трещин в форме скола, перпендикулярных напластованию, а поэтому длинные анкеры второй очереди не в состоянии затормозить данный процесс, что в конце концов может привести к обрушению кровли выработки из-за потери ее устойчивости.
То есть этот способ не позволяет достигнуть поставленную цель - повысить устойчивость выработки, а следовательно, и сохранить выработку в эксплуатационном состоянии.
Кроме того, применяемые в данном способе сталеполимерные анкеры вследствие их конструктивного исполнения устанавливают в шпурах без их предварительного натяжения, не обеспечивая тем самым надежного контакта с вмещающими породами, что способствует развитию процесса трещинообразования в условиях повышенного горного давления и, как следствие, потере несущей способности и устойчивости выработки.
Следует отметить как недостаток то, что металлическую решетку прижимают к поверхности выработки второй очереди, однако такое прижатие выполняют в зоне влияния очистных работ в процессе расслоения пород по контуру выработки, а не начальной стадии его развития, что способствует образованию вывалов, т.е. данный фактор отрицательно влияет на условие поддержания выработки, особенно выработки, повторно используемой позади очистного забоя.
К тому же данный способ имеет достаточно сложную технологию установки анкеров второй очереди, включающую большое количество трудоемких операций по бурению шпуров, установке в них анкеров и их закреплению, при этом с затратами времени на их выполнение, а это существенно снижает эффективность работ по поддержанию выработки.
Таким образом, отмеченные выше недостатки известного способа (2) снижают эффективность поддержания выработки в условиях влияния очистных работ. Поэтому изложенное явилось предпосылкой создания заявляемого изобретения.
В основу изобретения поставлена задача повысить эффективность поддержания за счет повышения устойчивости пород кровли выработки в условиях влияния очистных работ, обусловленного заблаговременным упрочнением расслоившихся пород кровли выработки до ее попадания под влияние интенсивного проявления опорного давления.
Технический результат, достижение которого обеспечивает решение поставленной задачи, выражается в сохранении выработки в эксплуатационном состоянии для повторного использования позади очистного забоя.
Для достижения поставленной задачи с заявляемым техническим результатом в способе поддержания горных выработок, преимущественно выработок с сохранением для повторного использования при отработке угольных пластов длинными столбами, при котором производят усиление установленных при проходке в кровле выработки коротких анкеров первой очереди путем установки дополнительных более длинных анкеров второй очереди с их расположением в шахматном порядке по отношению к коротким анкерам первой очереди и в плоскости сечения выработки, согласно заявляемому изобретению в качестве дополнительных длинных анкеров второй очереди используют полые анкеры с винтовой навивкой на их наружных поверхностях, причем установку анкеров второй очереди осуществляют вдоль выработки отдельными участками, длину каждого из которых принимают соответствующей длине конечной части зоны опорного давления очистного забоя, равной 0,3l, где l - длина зоны опорного давления очистного забоя, при этом условия поддержания горной выработки обеспечивают в следующем порядке: вначале на очередном участке выработки устанавливают упомянутые анкеры одновременно с подвиганием очистного забоя с опережением этого очистного забоя на 1,3 длины его зоны опорного давления, перед которым находится участок выработки длиной, равной 0,3l, с ранее установленными анкерами второй очереди впереди зоны опорного давления, а затем по мере подвигания очистного забоя, как только участок выработки с ранее установленными анкерами второй очереди, находившийся впереди зоны опорного давления, постепенно попадает под влияние конечной части зоны опорного давления производят поэтапное упрочнение расслоившихся на этом участке пород кровли путем нагнетания в них закрепляющего раствора через полые анкеры второй очереди, создавая при этом в кровле выработки зону упрочнения, способствующую замедлению процесса образования трещин расслоений в толще пород кровли выработки, при этом по мере завершения работ по упрочнению пород кровли на упомянутом участке выработки, находившимся под влиянием конечной части зоны опорного давления, вновь устанавливают анкеры второй очереди на следующем очередном участке выработки при условии соблюдения упомянутого опережения очистного забоя и производят упрочнение расслоившихся пород кровли на предыдущем очередном участке выработки с установленными анкерами второй очереди после попадания его под влияние конечной части зоны опорного давления очистного забоя, в дальнейшем по мере подвигания очистного забоя продолжают в описанном порядке выполнять операции по установке анкеров второй очереди впереди зоны опорного давления и упрочнению расслоившихся пород кровли выработки в период влияния конечной части зоны опорного давления на упомянутых и соответствующих этим операциям участках выработки.
Причем для обеспечения возможности упрочнения расслоившихся пород кровли на высоту свода обрушения выработки анкеры второй очереди устанавливают на глубину не менее ширины поддерживаемой выработки.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, изложенным в формуле изобретения.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности изобретения - «новизна».
Причинно-следственная связь между заявляемой совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом следующая.
Признак - «в качестве дополнительных длинных анкеров второй очереди используют полые анкеры с винтовой навивкой на их наружных поверхностях» - указывает, какой конструкции следует использовать анкеры второй очереди для реализации заявляемого способа, чтобы произвести бурение, установку и закрепление анкера за один прием, исключая тем самым поэтапное выполнение операций по бурению шпуров, установке в них анкеров и их закреплению, которое имеет место в прототипе (2). Отсюда следует, что данный признак способствует упрощению технологии установки анкеров второй очереди с одновременным сокращением по сравнению с прототипом (2) материальных и трудовых ресурсов в составе затрат на поддержание выработки.
Признак - «причем установку анкеров второй очереди осуществляют вдоль выработки отдельными участками, длину каждого из которых принимают соответствующей длине конечной части зоны опорного давления очистного забоя, равной 0,3l, где l - длина зоны опорного давления очистного забоя» - является новым и характеризует порядок установки анкеров второй очереди вдоль выработки, а именно отдельными участками, регламентируя при этом длину каждого из них, принятую равной длине конечной части зоны опорного давления, поскольку для нее характерна начальная стадия расслоения пород кровли выработки, а поэтому породы подлежат упрочнению на этой стадии. Такое условие выбора длины участка установки анкеров гарантированно упреждает возможность в дальнейшем не дать развиться активному процессу расслоения пород кровли на каждом участке выработки в зоне влияния очистных работ.
Признак - «при этом условия поддержания горной выработки обеспечивают в следующем порядке: вначале на очередном участке выработки устанавливают упомянутые анкеры одновременно с подвиганием очистного забоя с опережением этого очистного забоя на 1,3 длины его зоны опорного давления, перед которым находится участок выработки длиной, равной 0,3l, с ранее установленными анкерами второй очереди впереди зоны опорного давления» - является основополагающим и регламентирует оптимальную длину опережения участка выработки, на котором устанавливают анкеры второй очереди, т.е. до подхода к нему конечной части зоны опорного давления. Таким образом, согласно данному признаку анкеры устанавливают в менее нарушенных породах кровли выработки, и они не подвержены влиянию зоны опорного давления очистного забоя. Кроме того, благодаря принятому порядку установки анкеров исключается возможность пропуска в выработке участков с неустановленными анкерами, не допуская тем самым образование в кровле выработки участков с расслоившимися породами и соответственно снижения степени устойчивости выработки.
Признак - «а затем по мере подвигания очистного забоя, как только участок выработки с ранее установленными анкерами второй очереди, находившийся впереди зоны опорного давления, постепенно попадает под влияние конечной части зоны опорного давления, производят поэтапное упрочнение расслоившихся на этом участке пород кровли путем нагнетания в них закрепляющего раствора через полые анкеры второй очереди, создавая при этом в кровле выработки зону упрочнения, способствующую замедлению процесса образования трещин расслоений в толще пород кровли выработки» - совместно с вышеуказанным признаком является основополагающим и способствует поэтапному упрочнению пород кровли в начальной стадии их расслоения на заданном участке выработки по мере попадания его под влияние конечной части зоны опорного давления, образуя таким образом зону упрочнения в кровле выработки. То есть полезность данного признака очевидна, т.к. заблаговременно обеспечивают возможность упрочнения расслоившихся пород кровли до попадания этого участка выработки в зону интенсивного проявления опорного давления очистного забоя. Таким образом, упрочнение расслоившихся пород кровли посредством использования анкеров второго уровня является главным техническим средством, которое не допускает развитие нарушенности пород кровли, повышая таким образом устойчивость выработки и соответственно улучшая условия ее поддержания в период повторного использования за очистным забоем.
Признак - «при этом по мере завершения работ по упрочнению пород кровли на упомянутом участке выработки, находившемся под влиянием конечной части зоны опорного давления, вновь устанавливают анкеры второй очереди на следующем очередном участке выработки при условии соблюдения упомянутого опережения очистного забоя и производят упрочнение расслоившихся пород кровли на предыдущем очередном участке выработки с установленными анкерами второй очереди после его попадания под влияние конечной части зоны опорного давления очистного забоя» - указывает на выполнение технологических операций по заявляемому способу, а именно установку анкеров второй очереди осуществляют на участке выработки, следующем за участком выработки с ранее установленными анкерами и в тот момент, когда работы по упрочнению пород кровли завершены на участке выработки, находившемся под влиянием конечной части зоны опорного давления, которая, в свою очередь, затем переходит в зону стабилизации горного давления. То есть данный признак исключает возможность образования неупрочненных участков в кровле выработки, обеспечивая тем самым качественное упрочнение пород свода обрушения выработки, что положительно влияет на условия поддержания выработки.
Признак - «в дальнейшем по мере подвигания очистного забоя продолжают в описанном порядке выполнять операции по установке анкеров второй очереди впереди зоны опорного давления и упрочнению расслоившихся пород кровли выработки в период влияния конечной части зоны опорного давления на упомянутых и соответствующих этим операциям участках выработки» - поясняет поэтапность выполнения работ по усилению анкеров первой очереди посредством анкеров второй очереди и заблаговременному упрочнению пород кровли выработки до попадания ее под влияние интенсивного проявления опорного давления, т.е. данный признак необходим для выполнения заявляемого изобретения.
Признак (п.2 формулы) - «для обеспечения возможности упрочнения расслоившихся пород кровли на высоту свода обрушения выработки анкеры второй очереди устанавливают на глубину не менее ширины поддерживаемой выработки» - регламентирует глубину заложения анкеров второй очереди, обеспечивая тем самым проникновение закрепляющего раствора в нарушенные слои пород на высоте свода обрушения выработки. Это, в свою очередь, способствует образованию монолитно упрочненного горного массива, препятствуя тем самым развитию процесса расслоения пород кровли выработки в зоне влияния очистных работ и соответственно снижая нагрузку на анкерную крепь выработки.
Таким образом, совокупность существенных признаков, характеризующая сущность заявляемого изобретения, позволяет обеспечить устойчивость пород кровли выработки в условиях влияния очистных работ за счет заблаговременного упрочнения расслоившихся пород кровли выработки.
Все перечисленные технические эффекты позволяют решить поставленную задачу - повысить эффективность поддержания выработки и соответственно сохранить ее в эксплуатационном состоянии для повторного использования позади очистного забоя.
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, что характеризует «изобретательский уровень» заявляемого изобретения.
Промышленная применимость заявляемого изобретения обосновывается ниже приведенным описанием изобретения и чертежами к нему.
Сущность заявляемого способа поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 представлена технологическая схема поддержания выработки по предлагаемому способу (сплошной и пунктирными кривыми показаны зоны опорного давления в сечении по простиранию пласта), вид в плане;
- на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1, то же, что на фиг.1, продольный разрез;
- на фиг.3 - разрез по Б-Б фиг.1 (выработка, закрепленная короткими анкерами первой очереди до их усиления длинными анкерами второй очереди), поперечный разрез;
- на фиг.4 - разрез по В-В фиг.1 (выработка, анкеры первой очереди которой усилены анкерами второй очереди вне зоны влияния опорного давления), поперечный разрез;
- на фиг.5 - разрез по Г-Г фиг.1 (выработка в зоне влияния опорного давления, расслоившиеся породы которой упрочнены по предлагаемому способу), поперечный разрез.
Способ поддержания горной выработки, сохраняемой для повторного использования при отработке угольных пластов длинными столбами, осуществляют следующим образом.
Горная выработка 1, являющаяся одной из оконтуривающих выемочный столб 2 выработок, во время ее проведения закреплена короткими анкерами 3 первой очереди. При отработке угольного пласта очистным забоем 4 для уменьшения степени смещений пород кровли выработки 1 в зоне влияния очистных работ усиливают анкеры 3 первой очереди путем установки дополнительных длинных анкеры 5 второй очереди до подхода зоны опорного давления (эпюра 6) очистного забоя 4. При этом анкеры 5 второй очереди устанавливают вдоль выработки 1 отдельными участками в шахматном порядке по отношению к анкерам 3 первой очереди и в плоскости сечения выработки 1 (фиг.1-3).
Причем в качестве длинных анкеров 5 второй очереди используют полые анкеры с винтовой навивкой на их наружных поверхностях, поскольку они сочетают в себе одновременное выполнение операций по бурению горного массива, установке анкеров в горном массиве и их закреплению в нем, обеспечивая тем самым наиболее быструю установку анкеров 5 второй очереди по сравнению с прототипом (2) и соответственно предопределяя заранее возможность скрепления нарушенных в процессе проходки пород кровли выработки до подхода зоны опорного давления.
Длину каждого участка выработки 1 принимают соответствующей длине конечной части 7 зоны опорного давления (эпюра 6) очистного забоя 4, равной 0,3l, где l - длина зоны опорного давления очистного забоя 4.
Такой регламент выбора указанной длины участка выработки, равной 0,3l, по своему физическому смыслу означает, что, когда очередной участок выработки 1 окажется под влиянием конечной части 7 зоны опорного давления (эпюра 6), происходит расслоение пород кровли на этом участке выработки, находящееся на начальной стадии его развития.
К тому же наличие начальной стадии расслоения пород кровли в период влияния конечной части 7 зоны опорного давления подтверждается практикой ведения работ по упрочнению пород кровли в действующих выработках шахт ОАО «Воркутауголь» и которое устанавливается по незначительному количеству «провалов» бурового инструмента при бурении шпуров в породы кровли выработки на ее длине, равной 0,3l. В то же время при бурении шпуров в породы кровли выработки, находящейся под влиянием интенсивного проявления опорного давления, наблюдается значительное количество «провалов» бурового инструмента в шпуре.
То есть установка анкеров 5 второй очереди в кровле выработки вне зоны влияния очистных работ отдельными участками является одним из факторов, влияющих на обеспечение условий поддержания выработки 1 в зоне влияния очистных работ.
В свою очередь, условия поддержания горной выработки 1 для повторного использования обеспечивают в следующем порядке.
Рассмотрим порядок выполнения технологических операций по созданию условий поддержания выработки 1 в ситуации, когда по мере подвигания очистного забоя 4 впереди него в зоне влияния этого очистного забоя 4 (эпюра 6) находится поддерживаемая часть выработки 1 длиной l, соответствующей длине этой зоны, и выполнены работы по установке анкеров 5 второй очереди и упрочнению расслоившихся пород кровли выработки 1 в каждый период влияния конечной части 7 зоны опорного давления (фиг.1 и 5).
Как показано на фиг.1, во время выемки угля впереди очистного забоя 4 вне зоны влияния опорного давления (эпюра 6) на очередном участке II выработки 1 длиной 0,3l устанавливают анкеры 5 второй очереди с опережением этого очистного забоя 4 на 1,3 длины его зоны опорного давления. Причем перед участком II выработки 1 со стороны очистного забоя 4 находится участок I этой выработки 1 длиной 0,3l с ранее установленными анкерами 5 второй очереди впереди зоны опорного давления (фиг.4).
Затем по мере подвигания очистного забоя 4, как только участок I выработки 1 с ранее установленными анкерами 5 второй очереди, находившийся впереди зоны опорного давления, постепенно попадает под влияние конечной части 7' зоны опорного давления (эпюра 6') по мере ее распространения относительно участка I на его длине 0,3l, производят поэтапное упрочнение расслоившихся на этом участке I пород кровли выработки 1 путем нагнетания в них закрепляющего раствора через длинные полые анкеры 5 второй очереди.
По мере окончания поэтапного упрочнения пород на участке I в кровле выработки 1 образуется зона упрочнения 8, которая способствует замедлению процесса образования трещин расслоений в толще пород кровли выработки 1, начавшегося на этом участке I под влиянием конечной части 7' зоны опорного давления (эпюра 6').
Далее, по мере завершения работ по упрочнению пород кровли на участке I, находившемся под влиянием конечной части 7' зоны опорного давления (эпюра 6'), вновь устанавливают анкеры 5 второй очереди на следующем очередном участке III выработки 1 при соблюдении условия опережения этим участком III очистного забоя 4, равного 1,3l.
После этого по мере подвигания очистного забоя 4, как только предыдущий очередной участок II выработки 1 постепенно попадает под влияние конечной части 7'' зоны опорного давления (эпюра 6''), производят упрочнение расслоившихся на этом участке II пород кровли выработки 1.
В дальнейшем по мере подвигания очистного забоя 4 продолжают в описанном порядке выполнять операции по установке анкеров 5 второй очереди на каждом последующем участке выработки с опережением очистного забоя 4, равного 1,3l, и упрочнению расслоившихся пород кровли на участке выработки, подвергнутых влиянию конечной части зоны опорного давления очистного забоя 4.
Для обеспечения возможности упрочнения расслоившихся пород кровли в период влияния конечной части зоны опорного давления на высоту h свода обрушения 9 выработки 1 анкеры 5 второй очереди устанавливают на глубину «в», которая по величине не менее ширины «а» поддерживаемой выработки 1 (фиг.5).
Причем при поддерживании выработки 1 дополнительно осуществляют контроль ее геометрических параметров по мере упрочнения расслоившихся пород кровли. Для чего вначале измеряют ширину и высоту выработки 1 впереди очистного забоя в месте установки анкеров 5 второй очереди, а затем - в зоне опорного давления и позади его в ранее отмеченных местах замеров этих параметров. После этого путем сопоставлений значений упомянутых параметров определяют степень сдвижения пород кровли выработки и соответственно степень устойчивости пород и в случае необходимости производят оперативную корректировку параметров упрочнения пород кровли.
Таким образом, использование заявляемого способа поддержания горной выработки позволит повысить эффективность поддержания за счет повышения устойчивости пород кровли выработки в условиях влияния очистных работ, обусловленного заблаговременным упрочнением расслоившихся пород кровли выработки до ее попадания под влияние интенсивного проявления опорного давления, т.е. решить поставленную задачу.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР №1382965, кл. Е21D 11/14, 1986 г.
2. Авторское свидетельство СССР №1652592, кл. Е21D 20/00, 1989 г. (прототип).