Способ крепления горной выработки

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ(71) Заявитель Республиканское унитарное предприятие Производственное объединение Беларуськалий(72) Авторы Башура Андрей Николаевич Осипов Сергей Николаевич Дакуко Николай Александрович Плескунов Владимир Николаевич(73) Патентообладатель Республиканское унитарное предприятие Производственное объединение Беларуськалий(57) 1. Способ крепления горной выработки анкерной крепью, включающий определение параметров поперечной деформации пород, параметров анкера и его несущей способности, бурение скважины, установку и закрепление в ней анкера, отличающийся тем, что на глубину мощности залегания деформируемых горных пород скважину расширяют до большего диаметра либо режут щель, причем диаметр расширенной скважины или длина упомянутой щели составляет не менее суммы предельно возможной деформации горных пород и диаметра анкера, который устанавливают у стенки скважины или у края щели,оставляя свободное пространство со стороны ожидаемого воздействия деформации горных пород, при этом свободное пространство заполняют материалом, сминаемым при деформационном перемещении пород, причем предельно допустимое сопротивление з сминаемого материала вдавливанию анкера определяют из соотношения 11262 1 2008.10.30 где- диаметр анкера, см Т - предел текучести материала анкера, МПа П - мощность породного пласта с существенной поперечной деформацией, см. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве заполнителя свободного пространства скважины увеличенного диаметра или щели используют сегментные или иной формы вставки, изготовленные из материала, сминаемого при деформационном перемещении пород, между которыми зажимают анкер. Изобретение относится к области горного дела, а именно к способам крепления горных выработок при подземной разработке месторождений полезных ископаемых. Известен способ крепления горных выработок, включающий бурение шпуров и установку анкеров 1, 2. Однако в случае пересечений анкером достаточно пластичных пород типа глин, солей и их смесей в некоторых случаях наблюдается разрушение (разрыв) анкеров в зонах деформации пластов перечисленных пород при направлении их деформации, близкой к нормальному направлению относительно анкеров. Для реализации такого разрушения анкеров необходимо выполнение двух основных условий 1. Величина деформации отдельных пластов и пропластков пород относительно друг друга в зоне расположения анкера больше свободного пространства скважины, в которой расположен анкер, и возможной упругой поперечной деформации самого анкера. 2. Перерезывающие и разрывные напряжения, возникающие в анкере, превышают предел текучести (с учетом относительной длительности процесса) материала, из которого изготовлен анкер. Исходя из этих предпосылок, на основании законов сопротивления материалов можно рассчитать зависимость достаточной толщины пласта породы, под действием деформации которого анкер может быть разрушенТ,4 где- мощность (толщина) деформируемого пласта, см- диаметр анкера в зоне поперечной деформации пласта, см Т - предел текучести материала анкера, МПа- удельное поперечное давление породы на анкер, МПа. Если принять, что в результате воздействия опорного давления и возрастания приведенного коэффициента Пуассона со временем до 0,45 вследствие высокой пластичности, то 0,023 Н (Н - глубина разработки), но не более усилия вдавливания (для каменной соли 400 МПа, сильвинита 360 МПа 3), то расчетная формула имеет вид. 40,023 Приняв для стального анкера 2 см и Т 300 МПа, получаются следующие значения. Таким образом, на глубинах разработки 600 м и более в случае поперечной деформации пластов по нормальному к анкеру направлению для его разрушения достаточно мощности пласта 33 см и менее. Поэтому с ростом глубины разработки вероятность разрушения анкеров в результате поперечной деформации пластов неуклонно увеличива 2 11262 1 2008.10.30 ется. В целом разрушающий анкер пласт работает по принципу гильотины для резки металла. Поэтому при использовании анкерной крепи (более 50 конструктивных видов) сначала необходимо оценить возможность разрушения анкеров при реализации достаточной поперечной деформации пересечения анкера породами. Необходимо отметить, что значительные (несколько см) горизонтальные деформации пород кровли (подготовленных) горных выработок и вследствие этого разрушения анкеров имеют место при потере устойчивости потолочины и ее обрушении или при использовании вертикальных или наклонных разгрузочных щелей в кровле. При этом особенно активное разрушение анкеров возможно в краевых зонах (около стенок) кровли горных выработок, где действие опорного давления на поперечную деформацию пород наиболее существенно. Известен канатный анкер, который состоит из множества скрученных прядей проволоки каната, муфты для соединения концов прядей каната с хвостовиком, опорных элементов, головки анкера у дна анкера 4. Он выполнен с ограничителями радиального перемещения проволок прядей каната и местами разъединения контактов прядей проволок. В качестве такого ограничителя радиального перемещения является спираль, которая с одной стороны выполняет функцию смесителя для качественного перемешивания смолы с отвердителем (заполнитель свободного пространства скважины), уменьшая кольцевой зазор между стенками скважины и грузонесущим канатом до оптимального (2-5 мм). К недостаткам применения такого анкера относится возможность его разрушения при поперечной деформации пересеченных анкером пластов, если эта деформация сопоставима с диаметром скважины, в которой установлен анкер. Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является анкерная податливая крепь, которая имеет металлический стержень и распорный элемент,выполненный в виде способного к расширению объема с аксиальной складкой 5. В складке расположен упомянутый стержень. В пробуренную скважину вводят в собранном виде анкерную крепь и в распорный элемент подают рабочую среду под давлением. Распорный элемент, расширяясь, вытесняет из полости складки металлический стержень,прижимая его к стенке скважины. При этом с помощью изменения длины металлического стержня регулируются степени податливости анкерной крепи. В процессе изменения горного давления и структурного состояния массива горных пород в месте установки анкерной крепи возрастают нагрузки на металлический стержень. При достижении ими значения большего, чем величина суммарной силы, удерживающей от сдвижения металлический стержень относительно распорного элемента, ничто не мешает стержню податься по направлению воздействующей на него силы. Движение будет осуществляться до момента уравновешивания этих двух сил нагрузки и силы трения распорного элемента. Недостатком данной крепи является возможность разрушения распорного элемента и стержня при неравномерной по величине поперечной деформации пород, пересеченных анкером, превышающей разность диаметров скважины и установленного анкера. Задачей предлагаемого способа крепления горной выработки является обеспечение целостности установленного анкера при поперечных деформациях пересеченных породных пластов. Технический результат достигается тем, что способ крепления горной выработки анкерами, включающий определение параметров поперечной деформации пересеченных анкером пород, несущей способности и диаметра анкера, бурение скважины и установку в нее анкера, предусматривает возможность перемещения анкера на величину поперечной деформации горных пород путем бурения скважины большего диаметра или щели глубиной, равной мощности пород с существенной поперечной деформацией, причем диаметр скважины или длина щели составляют не менее суммы предельно возможной деформации и диаметра анкера, который устанавливают у стенки скважины или у края щели, оставляя свободное пространство со стороны ожидаемого воздействия деформации горных пород,3 11262 1 2008.10.30 при этом свободное пространство заполняется сегментными или иной формы вставками,изготовленными из материала, сминаемого при деформационном перемещении пород, пересеченных анкером, причем предельно допустимое сопротивление З сминаемого материала вдавливанию анкера определяют из соотношенияЗТ ,4 П где- диаметр анкера, см Т - предел текучести материала анкера, МПа П - мощность (толщина) породных пластов с существенной поперечной деформацией, см. На фиг. 1 изображена схема крепления горной выработки, стрелками показано направление деформации горных пород на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1 (1 вариант) на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1 (2 вариант) на фиг. 4 показан разрез А-А на фиг. 1 с сегментами податливого заполнителя. Способ осуществляют путем оценки неравномерности и величины возможной поперечной деформации, которая особенно значительна при наличии разгрузочной щели. Например, практически установлено, что в случае сохранения целостности потолочины подготовительной горной выработки с анкерным креплением смещение пород потолочины в горизонтальном направлении (перпендикулярно анкерам) в условиях Старобинского месторождения солей не превышает 0,5 от размера пролета кровли, т.е. обычно до 12 см. В этом случае, учитывая то, что диаметр скважины превышает диаметр анкера не менее чем на 1 см, разрушение анкеров за счет поперечной деформации пород не угрожает. При использовании вертикальных разгрузочных щелей в горных выработках Старобинских рудников на глубине около 800 м со временем отмечено полное смыкание краев центральной зарубной щели первоначальной шириной 13-14 см, т.е. в этих условиях возможная поперечная деформация пород кровли может достигать 7 см с каждой стороны. При этом закрепление анкера в скважине производится в пласте породы с незначительной поперечной деформацией на расстоянии в 1,5-2 м от поверхности кровли. Таким образом,размеры скважины или щели под анкер должны быть не менее суммы диаметра анкера и возможной поперечной деформации пород между поверхностью кровли горной выработки и породным пластом, в котором закрепляется анкер. В процессе поперечной деформации пластов пород, примыкающих к горной выработке, необходимо создать условия перемещения или хотя бы изгибания анкера в скважине с увеличенным диаметром или щели. При этом место закрепления анкера должно остаться неизменным. Поэтому скважина увеличенного диаметра или щель под анкер выполняются только от поверхности кровли горной выработки до породного пласта, в котором закрепляется анкер 2 (фиг. 1). В пласте закрепления анкера бурится на необходимую глубину скважина 3 диаметром, необходимым для закрепления анкера. Эта скважина обычно выполнена меньшего диаметра, и закрепляемый в ней анкер располагают около стенки 1 скважины увеличенного диаметра или щели, противоположной направлению деформации(фиг. 1), таким образом, чтобы при поперечной деформации пород анкер имел возможность перемещаться внутри скважины или щели, сминая относительно малопрочный заполнитель и вытесняя его в освобождающееся пространство. При этом хвостовик анкера 4 вместе с частью замка у поверхности кровли горной выработки может перемещаться относительно поверхности кровли в направлении, противоположном ее поперечной деформации. Это сохранит прямолинейность анкера либо позволит оставаться неподвижным по отношению к поверхности кровли, что приведет к искривлению анкера, соответствующему величине поперечной деформации непосредственной потолочины кровли горной выработки. Для обеспечения необходимого перемещения анкера в зоне существенной поперечной деформации пород прочность на смятие в режиме ползучести заполнителя скважины уве 4 11262 1 2008.10.30 личенного диаметра или щели не должна достигать прочности на текучесть З материала анкераЗТ ,4 П где З - предельно допустимое сопротивление вдавливанию анкера в материал заполнителя, МПа- диаметр анкера, см Т- предел текучести материала анкера, МПа П - мощность (толщина) породных пластов с существенной поперечной деформацией, см. Как показывают расчеты, при 2 см, Т 300 МПа и 120 см получается З 4 МПа,что вполне реально для некоторых полимерных быстротвердеющих материалов. Необходимо отметить, что процесс перемещения анкера в скважине или щели зависит от скорости поперечной деформации пород, что обычно составляет менее 1 см в месяц. При этом создаются все необходимые условия для проявления свойств ползучести материала заполнителя. Представляется возможным использование в качестве заполнителя твердого материала с более высоким сопротивлением смятию (Т 4 МПа), чем быстротвердеющий полимер, например древесины мягких пород (ель поперек волокон сж 4 МПа, сосна поперек волокон сж 5 МПа). Однако здесь заполнитель должен не полностью заполнять весь оставшийся после установки анкера свободный объем скважины 1 или щели (фиг. 2), а по форме представляет собой две сегментные вставки 3, между которыми плотно зажат анкер 2. Направление хорд сегментов (длинных сторон вставок) должно быть параллельно направлению поперечной деформации пород. Перемещение анкера 2 относительно сегментных вставок 3 происходит за счет частичного смятия их поверхностей. Образование щели для размещения анкера можно осуществлять без специальной механической пилы, а при помощи пробуренных рядом отдельных скважин диаметром 4050 мм. Оставшиеся породные мостики между скважинами удаляются с помощью специального скалывателя, который давно применяется в Донбассе с подобной целью. В случае применения щелей в соляных пластах оставшиеся перемычки толщиной до 0,5 см между скважинами можно даже не удалять, т.к. они будут разрушаться при перемещении анкера в случае поперечной деформации пород. Использование предлагаемого способа крепления горной выработки не имеет отрицательных последствий. Положительные результаты применения предлагаемого изобретения заключаются в повышении надежности крепления горных выработок анкерной крепью при существенных деформациях пород, преимущественно поперечных, вблизи горной выработки. Источники информации 1. Сидоренко Н.И., Артамонов Н.С., Гоц Д.Н. Новое в креплении горных выработок штанговой крепью Сб. технич. информ. - Сыктывкар ЦБТИ, 1960. -4 - С. 34-37. 2. Патент РБ 3983, МПК 21 21/00, 2001. 3. Проскуряков Н.М., Пермяков Р.С., Черников А.К. Физико-механические свойства соляных пород. - Л. Недра, ВНИИГ, 1973. - 270 с. 4. Патент РФ 2202042, МПК 21 21/00. 5. Патент РФ 2044887, П 21 21/00, 1995. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6