Способ охраны выемочных выработок

(51) 21 11/00 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ мощности на большой глубине в условиях неустойчивых вмещающих породах от вредного влияния опорного давления. Способ повышает эффективность охраны выемочных выработок, поддерживаемых позади очистного забоя. Технический результат достигается за счет снижения величины горного давления путем укладки в искусственной полосе решетчатых блоков друг на друга, предварительно заполненных деревянными элементами с переменными свойствами податливости и несущей способности. Реализация способа основывается на том, что каждый из блоков обладает различными прочностными свойствами блок, в которых деревянные элементы плотно сложены горизонтально,имеют большую величину податливости, но низкий показатель несущей способности и, наоборот, блоку с тесно установленными вертикально деревянными элементами присуще малая податливость, но высокая несущая способность.(72) Клиновицкий Федор Иосифович Сыздыков Максат Мусаевич(73) Дочернее государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Институт горного дела им. Д.А. Кунаева Республиканского государственного предприятия Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан(54) СПОСОБ ОХРАНЫ ВЫЕМОЧНЫХ ВЫРАБОТОК(57) Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при охране повторно используемых подготовительных выработок,пройденных по пологопадающим пластам средней 17467 Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при охране повторно используемых подготовительных выработок,пройденных по пологопадающим пластам средней мощности на большой глубине в условиях неустойчивых вмещающих породах от вредного влияния опорного давления. Известно устройство для охраны выемочных штреков, состоящее из П-образных железобетонных элементов, располагаемых таким образом, что внутри образуется полость, которая может быть заполнена породой или строительным раствором. Сверху конструкция перекрывается накатником из дерева (а. с. СССР 461230, кл. Е 15/48, 1971). Охранная полоса, возведенная из названного устройства в вертикальном направлении, имеет разную несущую способность конструкция,выложенная из П-образных железобетонных элементов - большую несущую способность, а внутренняя полость конструкции, заполненная породным или закладочным материалом - малую несущую способность. К недостаткам охранной конструкции относятся большой вес элементов существенно затрудняет их транспортировку в подземных условиях технология укладки железобетонных элементов очень трудоемкая и не механизирована значительная площадь поверхности П-образного элемента не позволяет обеспечить плотного контакта с волнистой почвой в процессе работы конструкция не обеспечивает необходимого уплотнения насыпного материала во внутренней е полости железобетонные элементы уменьшают смещение кровли, но увеличивают пучение почвы. Известен способ охраны выработок позади лавы,включающий выкладку искусственной полосы из двух разных по величине податливости слоев нижнего из твердеющего материала - ограниченноподатливый и верхнего из дерева - более податливый (Болгожин Ш.А.-Г, Лезин Г.Д., Ищанов Т.К. Поддержание пластовых выработок на большой глубине. Алма-Ата Наука. КазССР, 1983, с. 85, рис. 33). Основными недостатками способа являются большой расход дорогостоящего лесного материала сложность определения необходимой высоты слоя из дерева (твердеющей смеси) к конкретным горнотехническим условиям высокая трудоемкость работ, обусловленная применением ручного труда при выкладке деревянных костров и установки опалубки сложность качественной выкладки слоев из дерева в отдельных местах в кровле, где образованы значительные вывалы, в результате чего контакт полосы с кровлей пласта остается частичным и не достаточным для раннего и эффективного воздействия на массив. Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому способу является способ охраны выработок с возведением полосы из твердеющих материалов с заданной несущей способностью и податливостью (а. с. СССР 1460343, кл. 21 11/00, 1987). 2 Вдоль границы выработки с выработанным пространством сооружают опалубку и заливают е твердеющим материалом (ТМ). Заливку опалубки ТМ производят слоями с разным пределом прочности на сжатие. Наиболее слабый слой заливают высотой пропорциональной податливости крепи выработки из ТМ с прочностью меньше прочности вмещающих пород. Предел прочности слоев изменяют путем добавления в ТМ пластификаторов. К недостаткам прототипа относятся выполнение способа технологически затруднительно для межопалубного пространства требуется сложное оборудование создать полосу с четкими границами между заданным (основным) слоем и измененным с ослабленными пластифицирующими добавками физико-механическими свойствами практически трудно выполнить. Задача настоящего изобретения - повышение эффективности охраны выемочных выработок позади очистного забоя. Технический результат - снижение величины горного давления на основную крепь выработки путем возведения искусственной полосы из решетчатых блоков с переменными свойствами несущей способности и податливости. Для решения поставленной задачи в известном способе охраны выемочных выработок,включающей возведение вдоль выработки на границе с выработанным пространством от почвы до кровли пласта искусственной полосы слоями,слои в искусственной полосе возводят из укладываемых друг на друга решетчатых блоков прямоугольной формы,которые внутри предварительно заполняют деревянными элементами, причем в одних блоках последние размещены в горизонтальном положении, в других вертикальном при этом укладку блоков в каждом слое производят в чередующемся порядке рядом с блоком с горизонтальным размещением деревянных элементов располагают блок с вертикальным размещением деревянных элементов, а укладку решетчатых блоков в вышерасположенном слое производят в измененной последовательности, когда над блоком с горизонтально уложенными деревянными элементами устанавливают блок с вертикально уложенными деревянными элементами,а над блоком с вертикально сложенными деревянными элементами укладывают блок с горизонтально сложенными деревянными элементами. В связи с ведением очистных работ на глубоких горизонтах угольных шахт большое значение приобретает проблема поддержания выработок на границе с выработанным пространством. Существующие способы охраны выемочных штреков за лавой с помощью различных искусственных сооружений (костры из различных пород леса, комбинация костра с органным рядом,кусты из деревянных стоек, тумбы из железобетона,литые полосы из быстро-твердеющих материалов и т. д.) значительно уменьшают смещение пород и улучшают состояние выработок, однако все они 17467 имеют присущие только им недостатки по многим причинам. Выложенные костры представляют собой конструкцию крепи в форме квадратной или прямоугольной клетки из деревянных шпал или круглого леса, работающего в местах только лишь взаимного пересечения на смятие, тем самым исключена передача нагрузки породной толщи по всей площади контактной поверхности сооружения. В начальный период деревянный костер и органный ряд работают как обрезная конструкция, т. е. является режущей опорой, за пределами которой происходит обрушение непосредственной кровли. По мере смещения основной кровли оградительная полоса быстро исчерпывает свою податливость, что отрицательно сказывается на общем состоянии поддерживаемой за лавой выработки. Охрана выработок кустами из деревянных стоек ограничена горно-геологическими условиями и правильностью выбора места их установки. В случае невыполнения этих требований будут наблюдаться большие нагрузки на основную крепь. Основной недостаток представленных опорных конструкций из дерева малая несущая способность и большая их податливость, что приводит к значительному опусканию пород кровли и к преждевременному выходу подготовительной выработки из эксплуатации. Технология установки тумб из железобетона очень трудоемкая операция, где большой объем работы связан с использованием ручного труда,особенно при заполнении пустот в кровле угольного пласта, где соприкосновение с охранной крепью в большинстве случаев будет частичным. При повышении нагрузки на железобетонные тумбы происходит разрушение блока в местах концентрации напряжений. Из-за этого происходит снижение их несущей способности, что приводит к ранней деформации и быстрому полому крепи выработки. Возведение жесткой полосы не исключает образование повсеместных зазоров на всем протяжении. Опускание вышележащего массива горных пород после прохода очистного забоя на величину этой пустоты приводит к повышенной нагрузке на штрековую крепь, вследствие чего наблюдается резкое уменьшение площади выработки в свету. Необходимо иметь в виду, что если возведенная полоса прочна по сравнению с породами почвы или кровли, то за счет ее вдавливания происходит в первом случае максимально возрастает пучение почвы, а во втором- увеличение оседания кровли. К недостаткам охранной крепи из железобетона и полосы из твердеющих стройматериалов в условиях не прочных пород кровли - это неполнота использования их высокой несущей способности в сочетании с очень малой величиной податливости,которая ведет к большой нагрузке основной крепи. Основная функция,выполняемая около штрековой полосой позади очистного забоя -это максимальное сохранение целостности кровли выемочной выработки на границе с выработанным пространством, а также уменьшение чрезмерных нагрузок на основную крепь, благодаря чему сохраняется необходимая высота штрека с последующим сокращением объема работ по его поддержанию. Разработать приемлемую для всего многообразия горно-геологических условий оптимальную с экономической и технических точек зрения конструкцию охранной полосы при управлении кровлей обрушением, очень сложно, так как здесь следует учитывать влияние различных факторов. К числу основных из них следует отнести мощность и глубину разработки пласта,линейные размеры обрушающихся в отработанном пространстве блоков горных пород,тип установленной крепи, способ проходки и площадь сечения выработки, физико-механические свойства вмещающих пород и затраты на транспортирование с поверхности шахты до места их использования. Основное требование, которое предъявляется к охранным полосам в подземных условиях - это возможность их обеспечения высокой несущей способностью, достаточной для предотвращения повышенных нагрузок на штрековую крепь. Кроме того, они должны обладать максимальной податливостью, чтобы доля породы, выжимаемой в открытую полость выработки из боковых стенок и почвы, была минимальной. Поэтому главным направлением совершенствования способа охраны выработок позади лавы является возведение околоштрековой полосы из искусственных сооружений с переменной несущей способностью и податливостью при плотном соприкосновении по всей неровной поверхности кровли и почвы. С геомеханических позиций характер передачи веса налегающих пород с последующим восприятием податливыми или жесткими околоштрековыми полосами будет различным и значительно отличаться друг от друга. Наиболее благоприятным можно считать, когда кровля выемочной выработки и выработанного пространства будет оседать равномерно и одновременно, выполнение которого в условиях подземной разработки пласта на глубоких горизонтах, очень трудно. Это условие не соблюдается ни при установке деревянных костров,ни при выкладке тумб из железобетона, ни при возведении полос из твердеющих материалов. Во всех упомянутых случаях слои пород в выработанном пространстве опускаются более значительно, чем в выработке, что приводит к возникновению сосредоточенного давления. Сравнение показывает давление массива горных пород при жестких полосах выше, чем при установке деревянных опорных конструкций. Однако более важно отметить, что при выкладке костров из дерева или же их различных сочетаний,кровля вокруг штрека оседает значительнее, чем при двух последних типов полос. Подземными наблюдениями за оседанием пород возле околоштрековых полос установлено, что, чем меньше опускаются слои породы над самим штреком по сравнению с опусканием слоев на 3 17467 границе выработки с выработанным пространством,тем больше увеличивается массив пород,вызывающий сосредоточенное давление, и тем более значительным становится давление по краям штрека. Кроме того, при околоштрековых полосах происходят вывалы из кровли значительных масс пород, наблюдается выдавливание в открытое пространство выработки большого количества пород из боковых стенок и почвы. При сильно податливых кострах происходит значительное оседание, в большей степени приближающееся к идеальному состоянию равномерного и одновременного оседания, чем при жестких около штрековых полосах или комбинированных костров из дерева и бетона. Податливость полосы можно регулировать созданием слабого слоя или ослабление всей полосы пластификатором. Такой метод плох тем, что податливость полосы осуществляется его раздавливанием, т. е. полным разрушением на блоки, которые перемещаются за пределы первоначального объема полосы, в том числе в сторону выработки. Раздавливание полосы является неконтролируемым процессом. Если полоса частично или полностью ослаблена химическими добавками, то изменяется ее прочность, модуль деформации, величина упругой деформации, но не изменяется характер разрушения. Можно считать,что все вышеперечисленные типы опорных полос более отрицательно влияют на равномерное и одновременное оседание кровли. Между тем сооружаемая полоса должна обладать податливой величиной, не большей, чем податливость крепи выработки, а лучше - равной полной мощности пласта. Такую податливость необходимо задавать уже в стадии проектирования полосы с сохранением максимально, а при возможности - увеличения несущей способности. Выдвинутым требованиям вполне может соответствовать предлагаемый способ охраны выработок, основанное на возведении полосы с переменной податливостью и не-сущей способностью, образованной путем укладки друг на друга отдельных емкостей в виде решетчатых блоков прямоугольной формы, внутренний объем которых предварительно заполняется деревянными элементами, располагаемых горизонтально или вертикально. Качество их заполнения оказывает большое влияние на несущую способность полосы. При этом под тщательным заполнением блока понимается тот случай, когда вся ее полость занята деревянными элементами с плотностью, равной плотности костров, выложенных сплошными рядами из шпал или дубовых брусьев. Выполнение металлических решетчатых блоков прямоугольной формы связано, прежде всего, с необходимостью повышения их устойчивости при возведении полосы, так как они имеют широкую опорную площадь. Процесс их изготовления очень прост, незначительный расход металла и довольно малый вес. При транспортировке на поверхности шахты, по грузовому или клетьевому стволу, в подземных условиях, они устанавливаются плотно в 4 несколько рядов без какого-либо пустого пространства между ними. Применяемый на горных предприятиях лесоматериал для технических целей обладает различными прочностными свойствами. Так,например, предел прочности дерева разных пород на сжатие вдоль волокон колеблется от 35 до 55 МПа, а тот же показатель поперек волокон - на порядок ниже. Согласно лабораторным опытам на моделях и экспериментам в подземных условиях получена кривая, характеризующая податливость опорных сооружений из дерева, которая находится в пределах 20-30 от отрабатываемой мощности пласта. Приведенные данные численных показателей древесины относятся в целом ко всей конструкции. В предлагаемом способе увеличение податливости и несущей способности полосы достигается за счет наращивания слоев путем укладки в шахматном порядке металлических решетчатых блоков, заполненных деревянными элементами горизонтально или вертикально. Каждый взятый в отдельности блок, предварительно наполненный элементами из дерева, обладает прочностными свойствами не ниже вышеуказанных,а при послойной их укладке в чередующемся порядке эти значения суммарно возрастают. Дополнительному увеличению этих количественных величин будет способствовать и то, что в блоке в нескольких местах внедряются деревянные клинья,направленные под острым углом навстречу друг к другу. При этом в блоках, где деревянные элементы сложены горизонтально, они ориентированны по длине, в выложенных вертикально - по высоте. Кроме того, каждый блок последнего верхнего ряда также расклинивается с помощью деревянных прокладок, в результате чего вся его широкая поверхность плотно прилегает к неровностям кровли, тем самым исключая возникновение точечных нагрузок. Поэтому возведенная полоса с использованием заложенных переменных свойств древесины в новом качестве в наибольшей степени обеспечивает ее совместную работу со штрековой крепью, а также равномерное и одновременное оседание слоев пород кровли в податливом режиме без уменьшения несущей способности на весь период эксплуатации выемочной выработки. Из технической литературы известны некоторые результаты стендовых испытаний изменения характеристики деревянных костров от приложенной нагрузки, проведенных в научноисследовательских институтах Англии, США,Нидерланды, Германии и Казахстане. На основании этих исследований установлено,что на несущую способность деревянных конструкций большое влияние оказывает количество рядов и плотность прилегания элементов друг к другу и площадь их контакта. Эксперименты подтвердили, что чем больше количество элементов в одном ряду с более широкими участками перекрываются с соответствующими участками вышележащих элементов, то во время нагружения постепенно 17467 увеличивается их ширина плоскости контактирования соответственно максимальная плоскость контакта, которая повлечет за собой повышение несущей способности. В качестве деревянных элементов, применяемых в виде заполнителей внутреннего объема блока,могут быть использованы отходы разных пород древесины с различной формой поперечного сечения, поскольку их размеры будут небольшими. Однако, соотношение между длиной и высотой, а также шириной и толщиной должно быть вполне определенным для каждого из них. Высокая несущая способность блока обусловлена большой площадью контакта,достигаемая не только увеличением количества вертикально-плотно установленных деревянных элементов в одном ряду, но и общим числом самих рядов. Внедрение клиньев одновременно сверхуснизу в нескольких местах несомненно приводит к увеличению ширины и величины плоскости контактирования. В результате вместе взятые деревянные элементы можно представить как одно целое дерево, ствол которого ограничен периметром металлической решетки и он будет сжиматься в ограниченном пространстве по всей площади блока одновременно и окажет значительное сопротивление. При укладке деревянных элементов с вбиванием нескольких клиньев с двух противоположных боковых сторон вдоль их длины дает металлической решетке предварительно достигнуть напряженного состояния по всему своему контуру. Вследствие этого уменьшится величина усадки блока, а значение податливости намного увеличится. В конечном итоге, данное объемное сооружение представляет собой охранную полосу, когда ряды в нем наращиваются один на другой решетчатыми блоками всю мощность пласта. При этом производится их комбинированная расстановка с учетом различий прочностных свойств как по высоте, так и по ширине возводимой конструкции. Хотя полоса подвержена сосредоточенному давлению слоев пород над штреком, но величина этого давления будет значительно меньше, чем при жестких или податливых полосах. Появляется возможность регулирования прочностными свойствами каждого из слоев с учетом слабых пород кровли или почвы. Предлагаемая полоса будет вести себя как единая мощная податливая крепь с большой несущей способностью, включающая в себя податливость установленной крепи. В результате исключается зависание кровли, выпучивание стенок штрека, вспучивание почвы и резко снижается интенсивность деформации в выработке. На чертеже изображен способ охраны выемочных выработок искусственной полосой переменной несущей способности и податливости в сложных горно-геологических условиях на большой глубине, поперечное сечение. Реализация предлагаемого способа применительно к условиям разработки угольного пласта, залегающего в неустойчивых вмещающих породах на глубоких горизонтах, осуществляется в следующей последовательности. По мере выемки угля в отработанном пространстве выдвигают околоштрековую полосу параллельно охраняемой выработке. Для этого создают первый слой из решетчатых блоков,который укладывают на зачищенную поверхность почвы 1 в чередующемся порядке. Сначала ставят блок 2 с предварительно заполненным внутри объемной конструкции деревянными элементами 3,расположенных горизонтально,а рядом устанавливают блок 4 с деревянными элементами 5,выложенных вертикально. В последующем порядок выкладки 2 и 4 сохраняется до расчетной ширины полосы. Причем их укладку производят с таким расчетом, чтобы блоки 2 и 4 длинной стороной были ориентированы параллельно длине лавы. После окончания установок блоков 2 и 4 в нижнем слое приступают к выкладке вышерасположенного слоя,где порядок последовательности их укладки меняется. Над блоком 2 с горизонтально уложенными деревянными элементами 3 ставят блок 4 с вертикально уложенными деревянными элементами 5 и наоборот над блоком 4 с вертикальным размещением деревянных элементов 5 устанавливают блок 2 с горизонтально размещенными деревянными элементами 3. Количество слоя в полосе зависит от мощности угольного пласта. После укладки в полосу необходимого количества блоков 2 и 4 между контуром пород кровли 6 и последнего ряда остается свободное пространство, недостаточное для выкладки последующего слоя блоков. Это пространство заполняют с помощью деревянных прокладок 7 и 8, направленных навстречу друг к другу острыми углами. В результате плотного заклинивания все решетчатые блоки 2 и 4 тесно смыкаются с кровлей, что исключает их произвольное движение в сторону охраняемой выработки и отпадает необходимость установки опалубки. Каждый блок 2 с горизонтально расположенными элементами 3 в нескольких местах расклинивается с помощью деревянных клиньев 9 и 10, которые вбивают с двух противоположных сторон острыми углами, направленных друг к другу. Такой процедуре подвергается также каждый блок 4, где деревянные элементы 5 установлены вертикально, только клинья 11 и 12 внедряются сверху и снизу. Работа охранной конструкции производится в нижеприведенной последовательности. Слои пород кровли под воздействием горного давления начинают опускаться и постепенно нагружать возведенную полосу из решетчатых блоков, По мере их опускания искусственная полоса вступает во взаимодействие с окружающими вмещающими породами и испытывает вертикальную нагрузку. Это приводит к тому, что деревянные элементы, заключенные в блоках,начинают сжиматься последовательно во всех выложенных рядах с различной величиной податливости. Когда полностью исчерпается податливость и несущая способность верхнего слоя,5 17467 блоки продолжают сжиматься за счет нижележащих рядов. При этом реакция блоков на действующую нагрузку возрастает, приближаясь к рабочей. Но резкого увеличения нагрузки при переходе от податливого режима к жесткому рабочему не произойдет по причине переменных величин податливости и несущей способности каждого слоя полосы. Таким образом, действия заявленного способа отражают последовательность выполнения технологических операций,которые тесно взаимосвязаны. Все отличительные приемы достаточно обоснованы и полностью направлены на решение поставленной задачи,а именно Повышение эффективности охраны выемочных выработок позади очистного забоя. Технический результат снижение величины горного давления на основную крепь достигается путем возведения искусственной полосы из решетчатых блоков предварительно заполненных деревянными элементами с переменными прочностными свойствами. Блоки, в которых деревянные элементы плотно и горизонтально уложены, обладают большой податливостью и низкой несущей способностью, и наоборот, блоки с вертикально установленными деревянными элементами имеют незначительную податливость,но высокую несущую способность. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ охраны выемочных выработок,включающий возведение вдоль выработки на границе с выработанным пространством от почвы до кровли пласта искусственной полосы слоями,отличающийся тем, что слои в искусственной полосе возводят из укладываемых друг на друга решетчатых блоков прямоугольной формы, которые внутри предварительно заполняют деревянными элементами, причем в одних блоках последние размещены в горизонтальном положении, в других вертикальном при этом укладку блоков в каждом слое производят в чередующемся порядке рядом с блоком с горизонтальным размещением деревянных элементов располагают блок с вертикальным размещением деревянных элементов, а укладку решетчатых блоков в вышерасположенном слое производят в следующей последовательности над блоком с горизонтально уложенными деревянными элементами устанавливают блок с вертикально уложенными деревянными элементами, а над блоком с вертикально сложенными деревянными элементами укладывают блок с горизонтально сложенными деревянными элементами.