Способ проходки горных выработок

(51)7 21 41/00, 21 41/16 ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(72) Прокушев Георгий Адрианович Ермеков Толеген Муслимович Мещеряков Геннадий Васильевич Просеков Александр Григорьевич Шашкин Владимир Николаевич(73) Дочернее государственное предприятие Институт горного дела им. Д.А. Кунаева Республиканского государственного предприятия Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан Министерства индустрии и торговли Республики Казахстан(54) СПОСОБ ПРОХОДКИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК(57) Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при проходке горных выработок в слабых, сыпучих, обводненных и сильно трещиноватых горных породах. Техническим результатом изобретения является осуществление отрыва слоя породы оптимальной толщины при проходке. Это достигается тем, что в способе проходки горных выработок, включающем проходку опережающей выработки малого поперечного сечения,бурение из нее в подсводной части радиальных скважин с заглублением их за проектный контур выработки окончательного сечения, установку в скважины штанг, содержащих кольцеобразные ножи, внедряемые в боковые стенки скважины за счет использования расширяющегося материала, таким образом, чтобы ближайший к контуру выработки малого сечения конец штанги с кольцеобразными ножами совпадал с проектным контуром выработки окончательного сечения, отработку слоя породы между контурами выработок малого и окончательного сечений, уплотнение закрепленного штангами участка массива породы расширяющимся материалом,штанги устанавливают в скважине на глубине, равной оптимальной толщине отрываемого слоя породы, которую приравнивают минимальной из двух величин р - расчетной толщины слоя породы, отрываемого за счет радиальных напряжений, и- расчетной толщины слоя породы, отрываемой за счет касательных напряжений, при этом предложены формулы для вычисления расчетных величин. 11540 Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при проходке горных выработок в слабых, сыпучих, обводненных и сильно трещиноватых горных породах. Известны способы проходки горных выработок в сложных горно-геологических условиях с неустойчивыми породами, особенно в обводненном песчаном массиве, когда проходку выработок осуществляют уступными, ступенчатыми забоями, или с направляющим (опережающим) штреком (Потапенко В.А., Казанский Ю.В., Циплаков Б.В. и др. Проведение и поддержание выработок в неустойчивых породах. М. Недра, 1990, с. 36-39). Основная особенность этих способов - разделение поперечного сечения выработки на отдельные части (уступы), в каждом из которых работы ведутся обособленно. При проведении выработок с направляющим штреком, последний проводится на всю длину с последующим расширением его сечения до проектных размеров. Подобное проведение выработок относится к двухфазовому способу, поскольку оно ведется последовательно при различной организации работ. Недостатками способов являются- нарушение массива по периметру поперечного сечения первично пройденной выработки (опережающего штрека) энергией взрыва, что особенно усугубляется в слабых, неустойчивых породах, за счет чего резко снижается устойчивость выработок- при всех рассмотренных способах приведения выработок (ступенчатых забоях, с направляющим штреком), кроме щитового, нерешенным остается вопрос устройства обратного свода, выполняемого из-за отсутствия средств механизации вручную. Существующие технологические схемы предусматривают выполнение этого вида работ независимо от остальных проходческих процессов на некотором удалении от основного забоя, т. е. появляется третья фаза проходческих работ, во время которой работы по проведению выработки, как правило, прекращаются (трехфазовый способ). Наиболее близким к изобретению является способ, основанный на использовании штанг специальной конструкции (предварительный патент РК 4309, кл. Е 21 21/00, 1997), включающий проходку опережающей выработки малого поперечного сечения, бурение из нее в подсводную часть радиальных скважин с заглублением их за проектный контур выработки окончательного сечения, установку штанг, содержащих кольцеобразные образные ножи, внедряющиеся в боковые стенки скважины за счет использования расширяющегося материала так,чтобы ближайший к контуру выработки малого сечения конец штанги совпадал с проектным контуром выработки окончательного сечения, отработку слоя между контурами выработок малого и окончательного сечений, уплотнение закрепленного штангами участка расширяющимся материалом в радиальном направлении. Достоинством способа является разрушение горных пород без применения взрывчатых веществ, в 2 результате чего сохраняется целостность окружающего массива. Недостатком способа является сложность определения оптимальной глубины, на которую следует устанавливать штанги, т. е. толщины отрываемого слоя породы, т. к. эта толщина зависит от характеристики пород, расширяющегося материала и других переменных факторов, которые не учитываются в известном способе. Это может привести к тому,что отрыв слоя произойдет раньше окончания уплотнения массива породы и тогда не будет осуществлено его объемное сжатие, что снизит степень уплотнения, а следовательно, и устойчивость кровли выработки. Задачей изобретения является разработка способа проходки горной выработки, характеризующегося отсутствием взрывных работ, повреждающих массив горных пород, и повышением устойчивости выработки за счет отрыва при проходке слоя породы оптимальной толщины. Это достигается тем, что в способе проходки горных выработок, включающем проходку опережающей выработки малого поперечного сечения,бурение из нее в подсводной части радиальных скважин с заглублением их за проектный контур выработки окончательного сечения, установку в скважины штанг, содержащих кольцеобразные ножи, внедряемые в боковые стенки скважины за счет использования расширяющегося материала, таким образом, чтобы ближайший к контуру выработки малого сечения конец штанги с кольцеобразными ножами совпадал с проектным контуром выработки окончательного сечения, отработку слоя породы между контурами выработок малого и окончательного сечений, уплотнение закрепленного штангами участка массива породы расширяющимся материалом,штанги устанавливают в скважине на глубине, равной оптимальной толщине отрываемого слоя породы, которую приравнивают минимальной из двух величин р - расчетной толщины слоя породы, отрываемого за счет радиальных напряжений, и- расчетной толщины слоя породы, отрываемой за счет касательных напряжений, при этом для вычисления расчетных величин используют формулы 1 оудельная сила распора расширяющегося материала (для НРС-1 о 50 МПа) кплощадь внедрения кольцеобразных ножей штанги в боковые стенки скважины вл.зона влияния штанги 11540 К 1,73 коэффициент, учитывающий действие дополнительного перекрытия зоны влияния штанги смежными штангами- объемный вес пород в пределах контуров свода обрушения сввысота свода обрушенияпервичный пролет кровли выработки малого сеченияпроектный пролет выработки после обрушения слоя породы с помощью штанг рпрочность отрываемого слоя породы в массиве на разрыв сжто же, на сжатие. Размещение в скважинах штанг специальной конструкции позволит разрушить и оторвать от массива слой породы, прилегающий к контуру выработки малого сечения только силой расширяющегося материала без применения взрывных работ, что предохраняет околоконтурный массив от разрушения его сейсмическим воздействием взрыва, тем самым повысит устойчивость обнажений горной выработки. Расположение головки штанги на контуре выработки окончательного сечения обеспечит четкие границы отрыва слоя без вывалов, чем исключит трудоемкие и непроизводительные затраты по ликвидации пустот вокруг выработки и повысит ее устойчивость. Исключение взрывных работ из проходческого цикла упростит проветривание забоя и улучшит экологические условия работы. Определение толщины отрываемого слоя по приведенным формулам позволит установить оптимальную его величину . Отметим, что завышенная толщина слоя не позволит оторвать его от массива и, тем самым, способ не сработает, а уменьшенная толщина приведет к перерасходу расширяющегося материала, что экономически невыгодно. Выбор оптимальной толщины слоя из двух значений, полученных по величинам радиальных и касательных напряжений, создаваемых штангой, обеспечит полную гарантию отрыва слоя от остального массива, что повысит надежность и работоспособность предлагаемого способа. На чертеже изображено поперечное сечение горной выработки, поясняющее сущность предлагаемого способа. Вначале проходят опережающую выработку 1 малого сечения. Из нее бурят скважины 2 с заглублением относительно проектного контура выработки окончательного сечения 3 на длину штанги специальной конструкции АВ. Штанга специальной конструкции, например, по патенту РК 4309, содержит несущий стержень, ограниченный с обоих концов опорными плитами, причем нижняя опорная плита имеет ступенчатый профиль, а вокруг несущего стержня расположены подвижные секции с кольцеобразными ножами на концах. Между несущим стержнем и секциями расположены баллоны с расширяющимся при твердении материалом. В скважи нах 2 размещают штанги 4 описанной конструкции так, чтобы их кольцеобразные ножи 5 совпадали с проектными контурами выработки окончательного сечения 3. Способ осуществляют следующим образом. При твердении расширяющегося материала, заключенного в штангах 4, благодаря специфики ее конструкции, кольцеобразные ножи штанги 5 поочередно перемещаются вначале в радиальном направлении, перпендикулярном продольной ее оси, благодаря чему они внедряются в боковые стенки скважины 2 и одновременно происходит уплотнение массива 7 на глубину, равную длине штанги АВ, а затем в направлении, параллельном продольной оси штанги 4, создавая тем самым отрывные напряжения, направленные в сторону выработки малого сечения 1. При этом в отрываемом слое 6, примыкающем к выработке малого сечения 1, возникают радиальные напряжения р и касательные напряжения сж. При превышении значений р или сж допустимых напряжений, слой будет разрушен и выдавлен в сторону выработки малого сечения 1, после чего приступают к уборке породы известными обычными способами. Пример расчета оптимальной толщины отрываемого слоя. Исходные данные о 50 МПа 500 кгс/см 2, глубина внедрения кольцеобразных ножей штанги в стенки скважины (патент 4309) 0,5 см, диаметр скважины скв 42 мм, расстояние между скважинами а 1 м, радиус влияния штанги 0,5 м,0,003 кгс/см 3, Нсв 5 м, 2 м, 3 м, К 1,73. вл.23,145027850 см 2 3,14 к 4,7 24,2 23,5 см 2,4 3,50,00045. где скв 4,7 см,квл. 7850 Прочность пород при сжатии в массиве сжкК 1 К 2 К 32000,10,770,77 11,9 кг/см 21,19 МПа,где ккубиковая прочность пород К 1 коэффициент трещиноватости сильнонарушенного массива К 2 коэффициент концентрации напряжений К 3 коэффициент вариации прочности пород. Прочность пород на разрыв р 0,08 сж 0,08 11,90,95 кг/см 2.св Тогда Согласно описанию изобретения, из сравнения р и к за оптимальное принимаем меньшее из них значение, т. е. 0,74 м. При условии отрыва слоя по всему периметру выработки малого сечения 2220,743,48 м. Тогда окончательное проектное сечение выработки будет 3,483,4812,1 м 2,а это уже сечение, допускающее применение крупногабаритного самоходного оборудования. Применение предложенного способа проходки горных выработок исключает ударное, разрушающее, сейсмическое воздействие взрыва на массив около выработки, искусственно изменяет физикомеханические свойства массива за счет создания по периметру выработки подушки из уплотненных пород, исключает обыгрывание штанг в слабых,сыпучих и обводненных породах, что, в конечном итоге, повышает устойчивость горных выработок. Кроме того, улучшаются экологические условия труда и упрощается проветривание забоя за счет исключения газов из взрывных работ. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ проходки горных выработок, включающий проходку опережающей выработки малого поперечного сечения, бурение из нее в подсводной части радиальных скважин с заглублением их за проектный контур выработки окончательного сечения,установку в скважины штанг, содержащих кольцеобразные ножи, внедряемые в боковые стенки скважины за счет использования расширяющегося материала, таким образом, чтобы ближайший к контуру выработки малого сечения конец штанги с кольце 4 образными ножами совпадал с проектным контуром выработки окончательного сечения, отработку слоя породы между контурами выработок малого и окончательного сечений, уплотнение закрепленного штангами участка массива породы расширяющимся материалом, отличающийся тем, что штанги устанавливают в скважине на глубине равной оптимальной толщине отрываемого слоя породы , которую приравнивают к минимальной из двух величин р расчетной толщины слоя породы, отрываемого за счет радиальных напряжений, и к - расчетной толщины слоя породы, отрываемой за счет касательных напряжений, при этом для вычисления расчетных величин используют формулы 3 1 где- удельная сила распора расширяющегося материала (для НРС-1 50 МПа)- площадь внедрения кольцеобразных ножей штанги в боковые стенки скважины К 1,73 - коэффициент, учитывающий действие дополнительного перекрытия зоны влияния штанги смежными штангами вл - зона влияния штанги- объемный вес пород в пределах контуров свода обрушения св - высота свода обрушения- первичный пролет кровли выработки малого сечения- проектный пролет выработки после обрушения слоя породы с помощью штанги р - прочность отрываемого слоя породы в массиве на разрыв- то же, на сжатие.