Способ сооружения горной выработки

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ РЕСГ 1 УБЛИК 11/00 ОПИСА ЗО-1 И ЕЛЬСТВУ ОРСКОМУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Грузинский политехнический институт иМосковский горный институт(56) Авторское свидетельство СССРМ 1461966, кл. Е 21 О 11/00, 1987,Авторское свидетельство СССРМ 1580014, кл, Е 21 О 11/00, 1987,(54) СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ(57) Изобретение относится к подземномустроительству и позволяет повысить эффек тивность производства работ в слабых породах при возникновении в кровле выработкирастягивэющих напряжений, Для этого используют предварительное силовое воэдейстИзобретение относится к подземному строительству, в частности к способам проходки и крепления горных выработок в слабых породах в условиях преобладающего. вертикального давления и образования в кровле выработки после раскрытия ее сечения растягивающих напряжений, вызывающих вывалообразование,Цель изобретения - повышение эффективности производства работ.На фиг. 1 изображена выработка, поперечный разрез; на фиг, 2 - то же, продольа ный разрез,При преобладающем вертикальном давлении, т. е. при коэффициенте бокового давления менее 1/3, что наиболее характерно для выработок мелкого заложения, при раскрытии сечения последних в их своде обравие на породный массив, перераспределяют естественное поле напряжений и создают впереди забоя область повышенных сжимающих напряжений. Определяют предел прочности пород на сжатие и их обьемный вес, Из забоя вдоль продольной оси выработки на ее вертикальной оси симметрии устраивают щель высотой более 0,27 и менее 0,54 радиуса выработки. Ее нижний конец располагают ниже проектного контура свода на расстоянии не менее 0,13 радиуса выработки. Щель герметизируют и создают в ней. давление твердеющего раствора, определяемое из аналитического выражения, После перераспределения напряжений впереди забоя раскрываютсечение выработки, Определяют также модуль деформации и коэффициент Пуассона пород и используют твердеющий раствор с близкими деформационными характеристиками, 1 з. и, ф-лы, 2 ил. зуется зона растягивающих напряжений,ааеей Размеры этой зоны зависят от величины ко- О эффициента бокового давления и при его СО уменьшении зона увеличивается. Действие О растягивающихнапряжений в своде выработ- Ос, ки, пройденной в слабых породах, приводит кр разрушению последних и последующему вывалообразованию, поскольку предел их прочности нэ растяжение крайне незначителен и, как правило, равен нулю,В этой ситуации целесообразно перед д раскрытием сечения выработки устроить впереди забоя опережающую щель и путем создания в ней определенного давления Р создать в породном массиве повышенное поле сжимающих напряжений, Это приводит к тому, что после раскрытия сечения выработки в результате наложения полейгде Р - создаваемое в щели давление;и - высота щели,Для обеспечения устойчивости выра ботки нет необходимости компенсировать всю зону растягивающих напряжений. Достаточно ликвидировать их негативное влияние в непосредственной близости атконтура вы работки.,55Наибольшего значения сжимаощие напряжения. возникающие вокруг щели при создании в ней давления, достигают на уровне ее середины, В связи с этим целесообразно располагать центр щели на наиба,противоположных па знаку напряжений вокруг выработки устанавливается поле талька сжимающих напряжений, что предотвращаетт вывалообразавание.Наиболее опасными являотся танген циальные растягивающие напряжения, эона распространения которых и величина превышают аналогичные характеристики ,радиальных напряжений. Именно они являются ответственными за обрушение пород.10 кровли. Граница зоны растягиваощих напряжений в кровле выработки определяется из выраженияГЙ х сох 2 вг=Л15-(1 а)- (1 Н-ггвИН-я- гвгде г, У- полярные координаты,Л - коэффициент баковсно давления;Л = -- / 20р - коэффициент Пуассона;В - радиус выработки в проходке.Угол полуохвата зоны растягивающих напряженийм 1 1 Л 252о" = - агссоз ---2,1 - лг Тогда нижняя граница зоны растягиваащих напряжений находится.от шелыги контура выработки на расстоянии, определяемом из выражения 30Г= В(1 - сов 0 ).Наиболее неблагоприятный с точки зрения увеличения размеров зан растяжения в кровле выработки случай имеет место при коэффициенте бокового давгения Л= О, т, е. 35 в отсутствии боковой нагрузки.В этом случае высота эоны растяжения по,вертикальной оси симметрии выработкисмаке= 0,73 Я;Ь= 0,13 й, 40Вьракение по определению концентрации напряжений вокруг щели (4) имеет вид э, х.Я+Щ./44 Бх + 1 Д + 2 42 /4 лее опасном направлении, т. е, на уровне шелыги свода, При этом для гарантированной компенсации растягиваощих напряжений под этой линией нижний конец щели следует располагать ниже границы зоны аастягивающих напряжений на контуре выработки. Исходя из этих двух соображений, можно установить наименьшую высоту щели, которая равняется удвоенному расстояниа от контура выработки до нижнего конца щели, т. е. 11 = 0,27 В,В процессе численного моделирования на ЗВМ с коэффициентам корреляции,8= =0,9999 получена зависимость необходимого давления в опережающей щели от высоты последней, при соблодейии которой гарантируется отсутствие растягивающих напряжений на уровне шелыги свода в пределах выработки и в непосредственной близости. от ее контура после раскрытия сечения выработки. Также установлено, что при высоте щели, находящейся в интервале значений й -- (0,54-0,73), необходимое давление не превышаету Н, Таким образом, для снижения трудоемкости работ, связанных с устройством щели, ее максимальный размер следует принимать й = 0,54 К. Однако при чреэмерно малых значениях высоты щели необходимое давление может достигать существенных величин и превысить предел прочности парад на сжатие, что приводит к их разрушению, которого нельзя допустить. Таким образом; длина щели и развиваемое в ней давление должны быть взаимоувязаны,Принимая во внимание, что любое включение в породный массив является дополнительным концентратором напряжений, для сглаживания этого не;ативного явления целесообразно использовать для создания давления растворы, которые после твердения имеют деформационные характеристики, близкие к соответствующим свойствам пород.Способ реализуют следу ощим образом.При сооружении выработки 1 в условиях вывалообразавания, имеющего место в результате действия в ее своде растягивающих напряжений 2, используют предварительное силовое воздействие на породный массив для направленного перераспределения естественного поля напрякений и создания впереди забоя 3 области повышенных скимающих напряжений.Прохадческие работы ведут отдельными заходками. В начале каждой заходки работы по раскрытию сечения выработки 1 временна приостанавливают и определяют впереди забоя 3 предел прочности пород насжатие и их объемный вес, Затем из забоя 3вдоль продольной оси выработки 1 устраивают вертикальную щель 4, которую располагают на оси симметрии, Для этой целиможет быть использовано бурение секущихся скважин, гидроразрыв или гидрораэмыв,прорезание баром и т. д,Предварительно из заданного диапазона0,27 ВЬ0,548,где Я - радиус выработки, м.Выбирают высоту и щели 4 и согласно выражениюР = 0,297 у Н(УР) 19,где у - объемный вес пород, МН/м;Н - глубина заложения выработки, м,определяют необходимое давление Р, кото-.рое нужно в ней создать для компенсациирастягивающих напряжений 2, возникающих в кровле выработки 1 после раскрытияее.сечения. В случае, еслифопределенноетаким образом давление больше пределапрочности пород на сжатие, следует увеличить высоту щели 4 и повторить расчеты поопределению необходимого давления.Щель 4 располагают так,что ее.нижний конец располагался ниже проектного контурашельги свода выработки на расстояний неменее А= 0,13 Я. Центр щели.4 целесообразно располагать на проектном контуревыработки 1,В случае, если выработка 1 не являетсякруговой, то в расчетах используется понятие эквивалентного радиуса, который определяется из выражения В = 0,63 ЧЪ, где Я -2площадь сечения выработки в проходке, м .После устройства щели 4 производятработы по герметизации ее устья и в нейсозда,от заданное давление, Силовое воздействие на породный массив может создаватьсякак за счет нагнетания в опережающую щель4 твердеющих растворов 5 под большимдавлением, так и путем заполнения ее растворами 5, расширяющимися при твердении.Целесообразно также во время установления физико-механических свойств породдополнительно определять их модуль деформации и коэффициент Пуассона и использовать твердеющие растворы 5 сдеформационными характеристиками, максимально приближающимися к соответствующим свойствам пород,При ведении работ в неустойчивых породах целесообразно перед устройствомщели 4 возводить в забое 3 предохранительную перемычку (не показана).5 После твердения раствора 5 и перераспределения естественного поля напряженийвокруг опережающей щели 4 возобновляютработы по раскрытию сечения выработки 1.На таком подходе основывается прин 10 цип опережающей стабилизации кровли выработки, Соблюдение параметров способапозволяет обеспечить устойчивость выработки, исключить применение временнойкрепи при ее проходке, облегчить конструк 15 цию постоянной крепи, а в определенныхслучаях вообще отказаться от нее.Формула изобретения1. Способ сооружения горной выработки, включающий определение физико-меха 20 нических свойств горных пород впередизабоя, устройство в кровле выработки на еевертикальной оси симметрии опережающейщели с расположением нижнего конца последней под проектным контуром выработки,25 герметизацию щели и создание в ней давления твердеющего раствора, раскрытие сечения выработки, от л и ч а го щи й с я тем.что, с целью повышения эффективностипроизводства работ, дополнительно опре 30 деляют пределпрочности пород на сжатие,а щель устраивают вцсотой0,27 В Ь 0,54 К,при этом ее нижний конец располагают подпроектным контуром вцработки на расстоя 35 нии не менееЛ= 0,13 В,а давление в щели создают не менее величины, определяемой иэ выраженияР =.0,297 у Н(Ь/В) 140 и не более предела прочности пород на сжатие,где и - высота щели, м;Л - расстояние от проектного контуравыработки до нижнего конца щели, м;45 Р - создаваемое в щели давление, МПа;В - радиус выработки, м;у- объемный вес пород, МН/м;Н - глубина заложения выработки, м.2. Способ по и. 1, отл ич а ю щи йс я50 тем, что дополнительно определяют деформационные свойства пород и используюттвердеющий раствор с близкими к породамдеформационными характеристиками,1689637 Составитель Л, Березкин ехред М,Моргентал аказ 3799 Тираж .ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открцти113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 ГКНТ СССР роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Уж