СПОСОБ ОПЕРЕЖАЮЩЕГО КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК С ПОМОЩЬЮ АНКЕРОВ

Изобретение относится к опережающему анкерному креплению горных выработок из призабойного пространства и может быть использовано в горнодобывающей промышленности и тоннелестроении.

Известен способ опережающего крепления кровли краевой части пласта очистной выработки, включающий бурение параллельных скважин в кровле очистного забоя на контакте с пластом из подготовительной выработки, закрепленной рамной крепью, с опережением относительно очистного забоя, а также под углом к очистному забою, введение в скважины гибких элементов крепи и их натяжение. При данном способе натягивание анкера осуществляется за счет обрушающейся горной породы (патент РФ №2175062, E21D 11/00, 2001).

Недостатком способа является то, что крепление может производится только из вспомогательной выработки и способ не позволяет осуществить крепление кровли к более глубоким ненарушенным пластам породы, что ограничивает размеры закрепляемого пространства.

Известен способ опережающего крепления грунта с использованием самонарезающих стержней и стержней из стеклопластика (патент Японии JP 3851590, E21D 9/04, 2007). С помощью пустотелой конструкции, имеющей на конце расширяющийся хвостовик, и самонарезающих стержней формируют предварительные скважины. Затем посредством муфт привода подсоединяют трубчатый стеклопластиковый анкер. Анкер вставляют во внутреннее отверстие длинной забивной штанги, закрепленной на бурильном станке. В связи с тем что шпур «слепой» (не имеет второго выхода из породы), применяют полый анкер для последующего заполнения шпура фиксирующим материалом. Единственно возможная установка анкера при использовании этого способа - установка под острым углом к продольной оси выработки.

Недостатком способа является то, что полый анкер с хвостовиком остается в шпуре и закрепление анкера в породе и степень его натяжения не поддается контролю. Недостатком способа также является необходимость крепления головной части анкера в шпуре фиксирующими составами или иным способом.

Основным недостатком является противоречие между оптимальным расположением анкера (перпендикулярно стенке выработки) и невозможностью достичь этого при прямолинейном бурении.

Последний недостаток частично устранен в известном способе, выбранном в качестве прототипа.

Известен способ опережающего крепления горных выработок с помощью анкеров, включающий бурение наклонных опережающих скважин в направлении проведения выработки и установку в них анкеров, в котором после наклонной части бурят криволинейный участок, а потом скважину бурят перпендикулярно к продольной оси выработки. В пробуренные глухие скважины могут быть установлены различные анкеры: полимерные, сталеполимерные, железобетонные, причем необходимо производить крепление головной части анкера в шпуре фиксирующими составами или иным способом (авт. Свид. СССР №1002594, E21D 20/00, 1983).

Недостатком способа является низкая надежность крепления головки анкера в шпуре, т.к. проконтролировать качество крепления анкера в глухом шпуре невозможно.

Задачей изобретения является повышение надежности опережающего крепления горных выработок с помощью анкеров за счет изменения характера зон трещиноватости горного массива до прохождения выработки.

Эта задача решается тем, что в способе опережающего крепления горных выработок с помощью анкеров, включающего бурение опережающих скважин и установку в них анкеров, за контуром предполагаемого забоя и за зоной опорного горного давления из призабойного пространства осуществляют бурение шпура криволинейно к продольной оси будущей выработки с выходом криволинейного шпура в ту же выработку, в забой или призабойное пространство с другой или с той же стороны, размещают в шпуре гибкий анкер и закрепляют его с обоих концов с возможностью натяжения анкера в шпуре.

Гибкий анкер дополнительно имеет функцию контроля горного давления.

Гибкий анкер дополнительно имеет функцию контроля целостности собственно анкера.

Бурение шпура за контуром предполагаемого забоя и за зоной опорного горного давления является средством, влияющим на проявление эффекта сжатия породных блоков между собой, формируемых вокруг анкеров. Известно, что зоны трещиноватости имеют кольцеобразный характер (см. «Зональная интеграция горных пород и устойчивость подземных выработок» под/ред. М.А. Гузев, 2008, изд-во Сибирского отделения РАН, стр. 81 рис. 3.17, стр. 100 рис. 3 и 4). Предложенный способ позволяет изменить характер зон трещиноватости, возникающий по мере проходки горного массива, отодвинув зоны трещиноватости дальше от контура выработки.

Бурение шпура криволинейно к продольной оси будущей выработки за контуром предполагаемого забоя и за зоной опорного горного давления из призабойного пространства с выходом криволинейного шпура в ту же выработку, в забой или призабойное пространство с другой или с той же стороны и размещение в шпуре гибкого анкера позволяет повысить надежность опережающего крепления горных выработок с помощью анкеров, за счет вывода обоих концов анкера в одно и то же призабойное пространство. Натяжение анкера в шпуре повышает надежность закрепления трещиноватых пород впереди забоя.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где

на фиг. 1 показана принципиальная схема реализации способа опережающего крепления горных выработок с помощью анкеров;

на фиг. 2 - фронтальная проекция горной выработки с криволинейными шпурами и установленными в них гибкими анкерами, концы которых находятся с разных сторон выработки;

на фиг. 3 - боковая проекция горной выработки с криволинейными шпурами и установленными в них гибкими анкерами, концы которых находятся с разных сторон выработки;

на фиг. 4 - фронтальная проекция горной выработки с криволинейными шпурами и установленными в них гибкими анкерами, концы которых находятся с одной и той же стороны выработки;

на фиг. 5 - фронтальная проекция горной выработки с криволинейным шпуром и установленным в нем гибким анкером с зонами трещиноватости пород.

На фиг. 1-5 обозначены:

1 - ось выработки;

2 - контур выработки;

3 - устройство крепления гибкого анкера с возможностью натяжения;

4 - гибкий анкер;

5 - криволинейный шпур;

6 - забой;

7 - контур будущей выработки;

8 - хвосты анкера;

9 - призабойное пространство (горизонтальный штрек);

10 - зоны трещиноватости;

11 - нерастрескавшиеся породы;

12 - бетонная оболочка выработки (если необходимо).

Способ опережающего крепления горных выработок с помощью анкеров осуществляется следующим образом.

Согласно заявляемому способу из исходной выработки, полученной любым известным способом, за контуром будущей выработки 7 и за зоной опорного горного давления (фиг. 1) из призабойного пространства 9 осуществляют бурение шпура 5 криволинейно к продольной оси 1 будущей выработки. Бурение шпура криволинейно осуществляют в объеме породы, прилегающем к боковым стенкам, кровле и нижней части будущей выработки. Бурение осуществляют таким образом, чтобы криволинейный шпур вышел в ту же выработку, в забой или призабойное пространство с другой стороны (фиг. 2, 3) или с той же стороны (фиг. 4). Из шпура удаляют куски породы (шлам, штыб и пр.) любым известным способом, например, с помощью воздушного шланга. В шпуре 5 размещают гибкий анкер 4 и закрепляют его с обеих сторон хвостами 8 в крепежных устройствах 3 с возможностью натяжения анкера в шпуре. Размещение гибкого анкера 4 в шпуре осуществляют любым известным способом, например:

а) к концу пустого отключенного воздушного шланга подсоединяют гибкий анкер и протягивают шланг (с анкером) в обратном направлении;

б) шланг выдувает (выливает) шлам и штыб, но при этом внутри или снаружи (оплетка шланга из проволоки) шланга уже закреплен гибкий анкер. При выходе шланга с другой стороны - анкер уже протянут. В случае оплетки шланга - анкером является сам шланг с оплеткой;

в) анкер в шпуре может протягивать специальная машина - по шпуру, сделанному ранее с удаленными из него кусками породы.

Криволинейный шпур получают криволинейным бурением любыми известными устройствами, например установками ГНБ компании Titan Contractors (США), Sacramento Municipal Utility District (США) и др.

В шпуре могут быть установлены различные гибкие анкеры, например стальные, стекловолоконные, углеволоконные, полимерные и др. После размещения в шпуре гибкого анкера шпур может быть дополнительно заполнен фиксирующим составом.

Наличие в устройстве крепления гибкого анкера 3 либо в самом гибком анкере 4 датчиков натяжения (на фигурах не показаны) позволяет контролировать изменения горного давления, а также целостность самого гибкого анкера 4.

При обычном способе горной выработки (без опережающего крепления горных выработок) процесс образования зон трещиноватости выглядит следующим образом.

Горные породы в нетронутом массиве находятся в состоянии напряженного равновесия. Угольный пласт, например, на глубине Н испытывает напряжение:

σ=γН,

где γ - средняя плотность горных пород, кг/см³

Н - глубина залегания пласта, м

В процессе выемки угля впереди забоя происходит перераспределение напряжений. При этом различают три зоны, примыкающие к забою. В зоне 1 сохраняются напряжения, характерные для нетронутого массива. Уголь находится в состоянии трехосного сжатия. Зона 2 - зона опорного давления с повышенным напряжением σ=kγН, где k - коэффициент концентрации напряжений (k>1). В этой зоне уголь находится в состоянии двухосного сжатия. Максимум опорного давления находится на расстоянии от трех до пяти-шести мощностей от кромки пласта.

Опорное давление проявляется по всему периметру выработанного пространства (впереди и позади лавы, в верхней и нижней ее частях). Оно оказывает влияние на состояние крепи подготовительных выработок и может вызвать внезапное разрушение целиков угля. Опорное давление является следствием пригрузки от нависающей консоли непосредственной и основной кровли.

Зона 3 непосредственно примыкает к забою. В ней уголь обычно раздавлен и напряженное состояние им утрачено. По мере продвижения забоя волна опорного давления постоянно перемещается, создавая повышенные или пониженные, по сравнению со статическими, напряжения в угольном пласте и прилегающих к нему породах. При выемке полезного ископаемого в массиве, окружающем выработку, протекают сложные процессы его измененного состояния.

Таким образом при формировании выработки происходит естественное растрескивание горной породы также вокруг выработки и оно носит кольцеобразный характер. Породы под землей находятся в сжатом состоянии. При прохождении горной выработки прилегающие к выработке горные породы расширяются вокруг образовавшейся пустоты под действием упругих сил (А.Б. Ефременков и др. «Горные машины и оборудование», 2009, изд-во Томского политехнического университета, стр. 45-46, рис. 2.13).

В предлагаемом способе гибкий анкер 4 устанавливают в горной породе до прохождения выработки. При прохождении выработки упругое расширение горных пород дополнительно натянет гибкий анкер.

Опережающая установка гибких анкеров 4 в горном массиве до прохождения выработки изменяет картину напряженности и опорного горного давления. Находящиеся в напряженном состоянии гибкие анкеры 4 принимают на себя часть нагрузки горного массива. Таким образом, прилегающие к будущей выработке 7 массивы горной породы прикреплены гибкими анкерами 4 к более удаленным участкам массива. При проходке горный массив, стянутый петлями гибких анкеров 4, не обрушивается в выработку. Это объясняется тем, что петли гибких анкеров 4 заходят за зоны трещиноватости, по которым обычно происходит обрушение горной породы в выработку (фиг. 1, 5).

Предложенный способ опережающего крепления горных выработок с помощью анкеров позволяет в породе горного массива, прилегающего к будущей выработке, создать напряженное состояние и, тем самым, уменьшить деструкции и разуплотнения массива при проходке. Это происходит за счет изменения характера зон трещиноватости горного массива до начала выработки предложенным способом, при котором отодвигают зоны трещиноватости дальше от контура выработки и, тем самым, предотвращают обрушение горной породы в выработку.