СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
MINE WORKING MAINTENANCE METHOD

Изобретение относится к горной промышленности, преимущественно к угольной, а именно к способам поддержания горных выработок в условиях повышенного горного давления с использованием дополнительных средств усиления основной крепи например анкерной крепи.
Известен способ повышения несущей способности расслоившейся части кровли горных выработок, включающий бурение основных инъекционных и дополнительных крепежных скважин, установку анкеров в крепежные скважины и нагнетание через инъекционные скважины вяжущего раствора в массив, после этого производят натяжение анкеров до сближения между собой смежных слоев кровли выработки (1).
Недостатком известного способа является то, что хотя он и предусматривает скрепление смежных слоев кровли выработки, однако после натяжения анкеров образуется неукрепленная часть кровли в месте нахождения забойной части шпуров, что приводит к отслоению заанкерованной части толщи пород кровли от вышележащей основной кровли и соответственно к потере несущей способности кровли выработки, не обеспечивая тем самым безопасные условия ее поддержания.
Известен способ поддержания горных выработок, закрепленных анкерной крепью, включающий усиление установленных при проходке рядовых анкеров в период смещений пород кровли выработки путем установки дополнительных анкеров в расслоившиеся породы кровли выработки (2) (см. источник 2, с.5-11, с.29-31). Причем установку дополнительных анкеров в шпурах с закреплением в них посредством ампул с быстродействующим составом осуществляют аналогично установки рядовых (обычных) анкеров, как это предусмотрено «Инструкцией по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России» (источник 2, с.48).
При этом, как известно из теории горной геомеханики, в процессе эксплуатации выработки, закрепленной анкерной крепью, взаимодействие между собой ранее образовавшихся вокруг анкеров породных блоков начинает ослабевать вследствие потери сил сцепления между слоями пород кровли выработки в условиях проявления повышенных горизонтальных напряжений, обусловленной опорным давлением налегающей толщи пород на боковые породы выработки. В результате этого возникает опасность среза анкера по контакту между слоями пород, что может привести к обрушению пород кровли. Причем этот механизм взаимодействия анкеров с породами кровли также присущ дополнительным средствам их усиления, т.е. дополнительным анкерам (см. источник 2, с.10-11). Отсюда следует недостаток известного способа - усиление рядовых анкеров посредством дополнительных анкеров не может существенно повлиять на замедление процесса расслоений и смещений пород кровли и соответственно на повышение ее несущей способности.
Кроме того, в данном способе не предусмотрено дополнительное воздействие на проявление деформационных свойств пород кровли выработки, которое бы повлияло на увеличение сил сцепления расслоившихся пород кровли и соответственно на укрепление расслоившейся кровли выработки в процессе ее эксплуатации, поскольку закрепление дополнительных анкеров осуществляют ампулами с быстродействующим составом, не имеющим свойств расширения.
Из изложенных недостатков следует, что известный способ (2), принятый за прототип, недостаточно эффективен, имеет ограниченные технологические возможности, поскольку может быть использован только на участках выработки с поврежденными элементами крепи, например в случаях разрыва затяжки или смятия податливых элементов, и не решает вопросы усиления анкерной крепи с целью замедления процесса смещений пород кровли выработки на ее участках расслоения и соответственно повышения несущей способности кровли выработки.
Задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в повышении эффективности поддержания за счет повышения несущей способности расслоившейся заанкерованной кровли выработки на ее отдельных локальных участках, обусловленного укреплением пород за счет воздействия расширяющегося состава ампул на породный массив кровли выработки.
Технический результат, достижение которого обеспечивает решение поставленной задачи, выражается в улучшении условий поддержания выработки, закрепленной анкерной крепью, с сохранением в работоспособном состоянии анкерной крепи в течении всего срока эксплуатации выработки в условиях проявления интенсивности горного давления.
Для достижения поставленной задачи с заявляемым техническим результатом в способе поддержания горных выработок, преимущественно выработок, закрепленных анкерной крепью, включающем усиление установленных при проходке рядовых анкеров в период смещений пород кровли выработки путем установки дополнительных анкеров в расслоившиеся породы кровли выработки с их закреплением в шпурах ампулами, согласно заявляемому изобретению, для замедления процесса смещений пород на локальном участке расслоения пород заанкерованной кровли эксплуатируемой горной выработки усиление рядовых анкеров с использованием дополнительных анкеров обеспечивают путем динамического воздействия на проявление интенсивности горного давления с возможностью укрепления пород кровли, для чего предварительно перед установкой дополнительных анкеров вновь оценивают величины смещений пород кровли выработки и при их превышении нормативно установленных согласно правил безопасности величин определяют границу зоны расслоения пород заанкерованной кровли выработки, причем шпуры под дополнительные анкера бурят в кровлю выработки в обозначенной границе упомянутой зоны с их расположением в шахматном порядке по отношению к рядовым анкерам, после этого вначале в каждый шпур досылают ампулы с расширяющимся составом в его глубинную часть, время твердения которого больше, чем время твердения ампулы с закрепляющим быстротвердеющим составом, которую размещают в устье шпура после полного заполнения ампулами с расширяющимся составом глубинной части шпура, при этом при установке в шпуры дополнительных анкеров в границе зоны расслоения пород заанкерованной кровли выработки с разрушением в них ампул за счет распространения расширяющегося состава ампул вокруг этих анкеров с последующим его отверждением в глубинной части шпуров и сжатием укрепляемых пород образуются породные блоки вокруг дополнительных анкеров с повышенным боковым распором между ними, способствующим проявлению сил сцепления расслоившихся пород кровли по их напластованию и образованию укрепленной зоны в кровле выработки на ее локальном участке расслоения.
Причем ампула, размещаемая в устье шпура, имеет минимальное время твердения, равное 20-30 секунд, а время твердения ампул с расширяющимся составом, размещаемых в глубинной части шпура, - в 2-3 раза больше.
Целесообразно для обеспечения сопротивляемости дополнительных анкеров боковым сдвигам пород по напластованию в качестве последних использовать сталеполимерные анкера повышенной несущей способности.
При этом длину дополнительных анкеров принимают в зависимости от высоты зоны расслоения пород заанкерованной кровли 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 аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявляемого изобретения, изложенным в формуле изобретения.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию «новизна».
Причинно-следственная связь между заявляемой совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом следующая.
Признак - «для замедления процесса смещений пород на локальном участке расслоения пород заанкерованной кровли эксплуатируемой горной выработки усиление рядовых анкеров с использованием дополнительных анкеров обеспечивают путем динамического воздействия на проявление интенсивности горного давления с возможностью укрепления пород кровли» - является основополагающим и указывает на технологическую возможность осуществимости процесса укрепления пород расслоившейся кровли выработки на участках повышенных смещений пород кровли выработки. В результате улучшаются условия поддержания горной выработки с сохранением ее эксплуатационных характеристик. Кроме того, выполнение данного признака технологически не сложно, не требует значительных эксплуатационных затрат, повышая таким образом эффективность работ по поддержанию выработки.
Признак - «для чего предварительно перед установкой дополнительных анкеров оценивают величины смещений пород кровли выработки и при их превышении нормативно установленных согласно правил безопасности величин определяют границу зоны расслоения пород заанкерованной кровли выработки» - позволяет оценить степень смещений пород кровли выработки (согласно нормативным документам величина смещений не должна быть более 50 мм) и соответственно выявить локальные участки повышенных смещений пород кровли с последующим выполнением работ по усилению анкерной крепи на этих участках согласно заявляемому способу.
То есть данный признак гарантированно упреждает возможность усиления анкерной крепи в пределах границы зоны расслоения пород кровли, исключая таким образом пропуски участков с опасным состоянием анкерной крепи.
Признак - «причем шпуры под дополнительные анкера бурят в кровлю выработки в обозначенной границе упомянутой зоны с их расположением в шахматном порядке по отношению к рядовым анкерам» - характеризует схему расположения шпуров и соответственно дополнительных анкеров в указанной зоне по отношению к рядовым анкерам, что позволяет равномерно разместить усиливающие дополнительные анкера на локальном участке расслоения пород кровли выработки, т.е. данный признак необходим для реализации способа.
Признак - «после этого вначале в каждый шпур досылают ампулы с расширяющимся составом в его глубинную часть, время твердения которого больше, чем время твердения ампулы с закрепляющим быстротвердеющим составом, которую размещают в устье шпура после полного заполнения ампулами с быстротвердеющим составом глубинной части шпура» - является новым и характеризует принятую последовательность досылки ампул в шпуры, имеющих различные составы и разное время твердения, что предопределяет возможность создания динамического воздействия на деформационное состояние пород кровли выработки за счет воздействия на них расширяющегося состава ампул и соответственно укрепления пород кровли на ее локальных участках расслоения. Кроме того, закрытие устья шпура ампулой с быстротвердеющим составом обеспечивает его герметизацию во время установки анкера, создавая таким образом условия для проникновения расширяющегося состава в разрушенные породы.
Признак - «при этом при установке в шпуры дополнительных анкеров в границе зоны расслоения пород заанкерованной кровли выработки с разрушением в них ампул за счет распространения расширяющегося состава ампул вокруг этих анкеров с последующим его отверждением в глубинной части шпуров и сжатием укрепляемых пород образуются породные блоки вокруг дополнительных анкеров с повышенным боковым распором между ними, способствующим проявлению сил сцепления расслоившихся пород кровли по их напластованию и образованию укрепленной зоны в кровле выработки на ее локальном участке расслоения» - является основополагающим и характеризует геомеханический процесс образования зоны укрепления, заключающийся в динамическом воздействии расширяющегося состава ампул, располагаемых в глубинной части шпуров, на разрушенные породы, и в их сжатии после отверждения, приводящим к образованию породных блоков вокруг дополнительных анкеров с повышенным боковым распором между ними, то есть данный признак с учетом изложенного решает поставленную задачу, а именно за счет укрепления расслоившихся пород кровли обеспечивается замедление процесса смещений пород и соответственно повышается несущая способность расслоившейся породы кровли выработки. Указанная задача заявляемого способа не может быть решена по прототипу (2), поскольку он предусматривает только закрепление дополнительных анкеров в шпурах с созданием слабого бокового распора между их породными блоками, который недостаточен для проявления сил сцепления расслоившихся пород кровли выработки.
Признак (п.2 формулы) - «ампула, размещаемая в устье шпура, имеет минимальное время твердения, равное 20-30 секунд, а время твердения ампул с расширяющимся составом, размещенных в глубинной части шпура, - в 2-3 раза больше» - позволяет произвести надежную герметизацию шпура, предотвращая таким образом возможность вытекания расширяющегося состава ампул после его перемешивания, что усиливает эффект проникновения расширяющегося состава в разрушенные слои пород.
Указанный эффект невозможно достигнуть по прототипу (2), поскольку в нем для закрепления в шпурах обычных (рядовых) анкеров, равно как и дополнительных анкеров, используют ампулы с быстротвердеющим составом, у которых время твердения первой (глубинной) ампулы равно 15-30 секунд, а у остальных ампул - в 2-3 раза больше (см. источник 2, с.48), в результате чего происходит только закрепление анкеров в шпурах без распространения состава ампул в разрушенные породы, окружающие шпур.
Из изложенного следует, что полезность данного признака очевидна.
Признак (п.3 формулы) - «для обеспечения сопротивляемости дополнительных анкеров боковым сдвигам пород по напластованию в качестве дополнительных анкеров используют сталеполимерные анкера повышенной несущей способности» - исключает возможность среза дополнительных анкеров по контакту между слоями в условиях повышенных горизонтальных напряжений, что обеспечивает безопасное состояние установленной крепи усиления, которой являются дополнительные анкера.
Признак (п.4 формулы) - «длину дополнительных анкеров принимают в зависимости от высоты зоны расслоения заанкерованной кровли выработки» - регламентирует длину дополнительного анкера, чтобы обеспечить укрепление пород на глубину их расслоения.
Таким образом, совокупность существенных признаков, характеризующая сущность заявляемого изобретения, позволяет повысить эффективность поддержания расслоившейся кровли выработки за счет укрепления пород, обусловленного воздействием расширяющего состава ампул на породный массив кровли выработки.
Все перечисленные технические эффекты позволяют решить поставленную задачу - повысить несущую способность расслоившейся заанкерованной кровли выработки на ее отдельных локальных участках расслоения.
Отсюда 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».
Реализация заявляемого способа технологически осуществима, т.к. не требует каких-либо сложных технических средств, не известных в области крепления горных выработок анкерной крепью. Это позволяет констатировать, что заявляемый способ соответствует критерию «промышленная применимость».
Заявляемый на предмет изобретения способ поддержания горных выработок обосновывается нижеприведенным описанием к нему и чертежами на фигурах 1-4. При этом на фигурах 1-4 показаны:
- на фиг.1 - выработка, закрепленная рядовыми анкерами, усиленными дополнительными анкерами на локальном участке расслоившихся пород кровли (породные блоки вокруг рядовых анкеров показаны пунктирной линией, а породные блоки вокруг дополнительных анкеров - сплошной линией), поперечный разрез;
- на фиг.2 - вид по стрелке А, схема размещения дополнительных анкеров по отношению к рядовым анкерам (окружностями обозначены контуры рядовых и дополнительных анкеров, расслоившиеся укрепляемые породы условно не показаны), вид сверху;
- на фиг.3 - общий вид усиливающего дополнительного анкера в момент его установки в шпур, заполненный ампулами, поперечный разрез;
- на фиг.4 - разрез по Б-Б фиг.2, момент воздействия на разрушенные породы расширяющегося состава ампул дополнительных анкеров (стрелками показаны направления распространения расширяющегося состава, пунктирной линией показаны породные блоки вокруг рядовых анкеров, а сплошной линией - породные блоки вокруг дополнительных анкеров, расслоившиеся укрепляемые породы условно не показаны).
Согласно теории горной геомеханики при выемке горных пород в процессе проведения выработки происходит нарушение равновесного состояния массива горных пород, что приводит к процессу перераспределения напряжений и деформаций в породах вокруг выработки, а также к интенсивному их смещению в сечение проводимой выработки. Чтобы противостоять внешним силам в породном массиве, приводящим к возникновению реактивных сил и соответственно возникновению напряжений, при проведении горной выработки устанавливают анкерную крепь, которая закрепляет породы по контуру проводимой выработкой, приостанавливая таким образом на начальном этапе распространение сил напряженного состояния. При этом нарушенная система напряженного состояния породного массива вокруг контура выработки приходит в равновесное состояние. Одновременно с этим горизонтальные напряжения в начальный период установки анкерной крепи в проводимой выработке имеют положительное влияние на устойчивость выработки и способствуют созданию бокового распора между породными блоками, формирующимися вокруг анкеров во время их установки, сохраняя силы сцепления пород по их напластованию.
В процессе эксплуатации горной выработки в условиях проявления интенсивности горного давления вертикальные силы напряженного состояния пород вокруг выработки принимают преобладающий характер над силами горизонтальных напряжений. В результате этого в породах, слагающих кровлю выработки, образуются трещины, которые снижают сцепление пород, что приводит к смещениям слоев пород относительно друг друга над контуром выработки. При этом ослабевает боковой распор между породными блоками анкеров, что может привести к обрушению кровли. Поэтому, чтобы упредить возможность обрушения пород кровли выработки, необходимо применять дополнительные средства усиления анкерной крепи.
Способ поддержания горных выработок, закрепленных анкерной крепью, рассмотрен для типичных горно-геологических условий их эксплуатации и который осуществляют следующим образом.
Согласно заявляемому способу после проведения горной выработки 1 и ее крепления обычными рядовыми анкерами 2 осуществляют контроль работоспособности анкерной крепи, поскольку выработка 1 в процессе эксплуатации попадает под влияние проявления интенсивности горного давления. Поэтому на участках наиболее тяжелых условий поддержания выработки 1 через каждые 80-100 м устанавливают по известным рекомендациям (см. источник 2, с.29-31) глубинные репера 3 для контроля за изменением величины смещений пород кровли. Затем, как только на каком-либо наблюдаемом участке выработки 1 будет визуально зафиксировано посредством показаний глубинного репера 3 критическое значение величины отслоения пород заанкерованной кровли выработки от вышележащей кровли, производят усиление рядовых анкеров 2 на этом локальном участке выработки 1. Причем необходимость такого усиления обусловлена тем, что упомянутое отслоение заанкерованной кровли обусловлено ослаблениями бокового распора между породными блоками 4 рядовых анкеров 2 и соответственно сил сцепления расслоившихся пород кровли выработки 1.
При этом усиление рядовых анкеров 2 в период обнаружения смещений пород кровли выработки 1 осуществляют путем установки дополнительных анкеров 5 в расслоившиеся породы кровли, с помощью которых обеспечивают динамическое воздействие на проявление интенсивности горного давления, которое осуществляют в следующей последовательности (фиг.1 и 2).
Предварительно перед установкой дополнительных анкеров 5 вновь по показаниям глубинных реперов 3 оценивают величины смещений пород кровли 1 и в случае их повышения нормативно установленных согласно правил безопасности величин, т.е. больше 50 мм (см. источник 2, с.29-31), определяют границу 6 зоны 7 расслоения пород заанкерованной кровли выработки 1, которая является локальным участком расслоения пород заанкерованной кровли. Определение границы 6 упомянутой зоны 7 осуществляют одним из известных традиционных способов определения состояния деформированных пород в горном массиве, например бурением контрольных шпуров, по характеру выхода штыба из которых и провалам бурового инструмента при бурении шпуров судят о наличии трещин расслоений и границе их распространения.
Затем в обозначенной границе 6 упомянутой зоны 7 бурят шпуры 8 в кровлю выработки 1 под дополнительные анкера 5 с их расположением в шахматном порядке по отношению к рядовым анкерам 2. Такая схема расположения упомянутых анкеров 2 и 5 относительно друг друга позволяет равномерно разместить дополнительные анкера 5 в пределах границы 6 указанной зоны 7.
После этого в первую очередь в каждый шпур 8 досылают ампулы 9 с расширяющимся составом в его глубинную часть, время твердения которого больше, чем время твердения ампулы 10 с закрепляющим быстротвердеющим составом, которую размещают в устье шпура 8 после полного заполнения ампулами 9 глубинной части шпура 8 (фиг.3).
При этом размещение ампулы 10 с быстротвердеющим составом в устье шпуров 8 обеспечивает их герметизацию во время установки дополнительных анкеров 5, создавая условия для направленного проникновения расширяющегося состава ампул 9 в разрушенные породы.
Далее приступают к установке в шпуры 8 дополнительных анкеров 5 в пределах границы 6 зоны 7 расслоения пород кровли, во время которой за счет поступательно-вращательного движения анкера 5 разрушают ампулы 10, а затем ампулы 9, перемешивая таким образом их компоненты. При этом происходит закрепление дополнительных анкеров 5 в устье шпуров 8 и одновременно распространение расширяющегося состава ампул 9 вокруг дополнительных анкеров 5 (как показано на фиг.4) с последующим его отверждением в глубинной части шпуров 8 и сжатием укрепляемых пород, в результате этого образуются породные блоки 11 вокруг анкеров 5 с повышенным боковым распором между ними. А это, в свою очередь, способствует проявлению сил сцепления расслоившихся пород кровли по их напластованию и образованию укрепленной зоны в кровле выработки на рассматриваемом ее локальном участке расслоения, обеспечивающей повышение несущей способности расслоившейся кровли.
Аналогично описанному порядку усиления дополнительных анкеров 5 за счет динамического воздействия на проявление интенсивности горного давления осуществляют усиление рядовых анкеров 2 на других локальных участках, на которых выявлено опасное состояние анкерной крепи.
Причем ампула 10 с быстротвердеющим составом, размещаемая в устье шпура 8, имеет минимальное время твердения, равное 20-30 секунд, а время твердения ампул 9 с расширяющимся составом, размещаемых в глубинной части шпура 8, - в 2-3 раза больше упомянутой ампулы 9. Такая последовательность твердения состава ампул 9 и 10 в шпуре 8 обеспечивает герметизацию устья шпура 8, чтобы не допустить выхода расширяющегося состава ампул 9 после его перемешивания в шпуре 8, создав таким образом условия динамического воздействия расширяющегося состава на разрушенные породы кровли.
Чтобы обеспечить сопротивляемость дополнительных анкеров 4 боковым сдвигам пород по напластованию в условиях проявления интенсивности горного давления в качестве последних используют сталеполимерные анкера повышенной несущей способности, что в целом повышает работоспособность усиливающих дополнительных анкеров, обеспечивая безопасные условия эксплуатации выработки.
Для обеспечения укрепления пород на глубину их расслоения длину дополнительных анкеров 5 принимают в зависимости от высоты зоны 7 расслоения заанкерованной кровли выработки.
Таким образом, использование заявляемого способа позволит повысить несущую способность расслоившейся заанкерованной кровли выработки на ее отдельных локальных участках, обусловленную укреплением пород за счет динамического воздействия расширяющегося состава ампул на породный массив кровли выработки.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №926314, кл. Е21D 20/00, 1980 г.
2. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России: Утв. Руководителем Комитета по угольной промышленности при Минтопэнерго РФ 12.04.2000, С.-Петербург, 2000. - с.5-11, 29-31, 48.