Способ разгрузки контура горной выработки от сжимающих напряжений

 

Изобретение относится к горной промышленности и подземному строительству. Цель изобретения - повышение устойчивости подземных выработок и безопасности проходческих работ в скальных массивах в условиях динамических проявлений горного давления, а также значительное снижение затрат на проведение мероприятий по разгрузке приконтурного массива от напряжений . Определяют направление максимальных сжимающих напряжений, действующих в нетронутом массиве горных пород. Затем определяют модуль пород окружающего массива и модуль деформации разрушенного взрывом материала. На участке контура выработки с максимальными напряжениями образуют разгрузочную щель оптимальной глубины, определяемой по формуле lonm (В0+2 0,225 - КЩ/ЕМ + + Д м, где В0 - ширина горной выработки в проходке, м; А - мощность приконтурной зоны нарушенных пород, м; Кщ - модуль деформации материала, заполняющего щель, МПа; Ем - модуль упругости пород окружающего выработку массива, МПа. Щель сооружают так, чтобы она пересекала контур выработки в точке с максимальными тангенциальными сжимающими напряжениями. 1 табл., 2 ил. LO С VI со о о fe

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4662061/03 (22) 30.01.89 (46) 07.06.92. Бюл. М 21 (71) Горный институт Кольского научного центра АН СССР (72) А.А.Козырев, В.A.ÌàëüöåB, В.В.Павлов и С.Н. Савченко (53) 622.285.9(088.8) (56) Влох Н.П., Линин Я.И., Зубков А.В. и др.

Предупреждение удароопасности на железорудных шахтах Урала и Казахстана. — В кн.: Прогноз и предотвращение горных ударов при разработке рудных месторождений. — Фрунзе: Илим, 1986, с.18 — 27.

Микулин Е.И. Обоснование и разработка способов предотвращения горных ударов при проходке и поддержании горных выработок. Автореф. дис. на соиск. учен. степени канд. техн. наук, Л., 1987. (54) СПОСОБ РАЗГРУЗКИ КОНТУРА ГОР. НОЙ ВЫРАБОТКИ ОТ СЖИМАЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ (57) Изобретение относится к горной промышленности и подземному строительству.

Цель изобретения — повышение устойчивости подземных выработок и безопасности

Изобретение относится к горной промышленности и подземному строительству и может быть использовано при проходческих работах в массивах, сложенных прочными упругими породами, в которых при действии высоких напряжений отмечаются динамические и роя вл ения горного давления.

Известен способ разгрузки горных выработок от высоких горизонтальных сжима(s1)s Е 21 0 11/00, 20/00, 39/00 проходческих работ в скальных массивах в условиях динамических проявлений горного давления, а также значительное снижение затрат на проведение мероприятий по разгрузке приконтурного массива от напряжений. Определяют направление максимальных сжимающих напряжений, действующих в нетронутом массиве горных пород. Затем определяют модуль пород окружающего массива и модуль деформации разрушенного взрывом материала. На участке контура выработки с максимальными напряжениями образуют разгрузочную щель оптимальной глубины, определяемой по формуле lonm =(Bp+2 Ь) (0,225 Кщ/EM)+

+ Л, м, где Bp — ширина горной выработки в проходке, м; Л вЂ” мощность приконтурной зоны нарушенных пород, м; Кщ — модуль деформации материала, заполняющего щель, МПа; Š— модуль упругости пород окружающего выработку массива, МПа. Щель сооружают так, чтобы она пересекала контур выработки в точке с максимальными тангенциальными сжимающими напряжениями, 1 табл., 2 ил. ющих напряжений. В соответствии с этим способом вначале измеряют действующие в окружающем выработку массиве напряжения, Затем при помощи камуфлетного взрывания в стенках горной выработки создают щели. При этом. щели располагают в плоскости, параллельной направлению наибольших (в описываемом способе горизонтальных) напряжений. Глубину щелей выбирают исходя из уровня действующих

1739040

55 напряжений и категории удароопасности горной выработки.

Недостатком указанного способа является необходимость сооружения щели большей глубины, чем в случае расположения щели перпендикулярно максимальным сжимающим напряжениям для достижения равной степени разгрузки контура горной выработки, Это приводит к увеличению объемов бурения, расхода взрывчатых материалов и общих затрат на проведение защитных мероприятий, Кроме того, не учитывается влияние изменений параметров буровзрывных работ на степень разрыхления породы камуфлетным взрыванием. Все это неизбежно приведет к неопределенности при выборе параметров щелевой разгрузки. Для определения параметров разгрузки моделируют разгрузку выработки сплошными незаполненными щелями. В то же время на практике для разгрузки используют щели, которые образуют камуфлетным взрыванием, После взрыва щели оказываются заполненными раздробленной взрывом породой. Такое противоречие приводит к ошибкам в определении необходимой глубины щели. Наконец, недостатком способа является отсутствие учета зоны нарушенных пород вокруг горной выработки.

Известен также способ разгрузки горной выработки от высоких горизонтальных напряжений, включающий создание разгрузочных зон на контакте кровли и боков выработки глубиной 1 — 2 размера высоты выработки, Разгрузочные зоны предполагается сооружать при помощи камуфлетного взрывания, К недостаткам этого способа, как и предыдущего, следует отнести сравнительно высокие затраты на буровзрывные работы при сооружении разгрузочной зоны, а также отсутствие учета деформационных характеристик разрушенного взрывом материала-заполнителя разгрузочной щели, что на практике может вызвать меньший эффект снижения напряжений и излишние материальные затраты, а также ошибки при определении технологических параметров разгрузки выработки, Наиболее близким к предлагаемому является способ разгрузки горной выработки от сжимающих напряжений, По этому способу сначала определяют направление наибольших сжимающих напряжений в окружающем горную выработку массиве пород. Затем в стенках выработки при помощи камуфлетного взрывания создают щели, сориентированные перпендикулярно наибольшим сжимающим напряжениям и пересекающим контур выработки в точке с

50 максимальными тангенциальными сжимающими напряжениями. Глубину щели выбирают в зависимости от ширины (высоты) выработки или размера необходимой защитной зоны.

Недостатком такого способа является отсутствие учета зоны нарушенных пород вокруг выработки, деформационных свойств приконтурного массива пород и влияния параметров БВР на деформационные характеристики разрыхленного материала, заполняющего разгрузочную щель.

Способ также не обеспечивает оптимальную по фактору допустимого уровня напряжений разгрузку контура горной выработки, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на устойчивости выработки и безопасности проходческих работ.

Целью изобретения является повышение устойчивости горных выработок и безопасности проходческих работ при уменьшении затрат на проведение защитных противоударных мероприятий.

Поставленная цель достигается тем, что определяют мощность приконтурной зоны нарушенных пород, модуль упругости пород окружающего выработку массива и модуль деформации материала, заполняющего щель, а разгрузочную щель сооружают оптимальной глубины, определяемой по формуле ! опт = (Во+ 2 Л) (0,225 Кщ/Ем)+ А м, где Кщ — модуль деформации материала, заполняющего щель, МПа, EM — модуль упругости пород окружающего выработку массива, МПа;

 — ширина горной выработки в проходке, м;

Л вЂ” мощность приконтурной зоны нарушенных пород, м(обычно Л = (0,10-0,15) Bo).

Ранее при использовании щелевой разгрузки для определения ее параметров не учитывалась мощность приконтурной зоны нарушенных пород, Не учитывалось также влияние отношение модуля деформации материала, заполняющего щель, к модулю упругости пород окружающего выработку массива на оптимальную глубину разгрузочной зоны щели.

На фиг.1 показана схема разгрузки горизонтальной выработки; на фиг,2 — графики, полученные в результате численного моделирования щелевой разгрузки горной выработки, которые показывают степень разгрузки контура горной выработки вблизи точки с максимальными тангенциальными напряжениями (т.А на фиг.1) в зависимости от глубины щели и отношения деформаци1739040 онных свойств материала, заполняющего щель и пород приконтурного массива.

На фиг.2 обозначены: <т /и- коэффициент концентрации сжимающих напряжений вблизи т.А; 0 — горизонтальное напряжение

3 на фиг.1; l — глубина разгрузочной щели, м; Во — ширина горной выработки в проходке, м; 1, 2, 3 — графики изменения с7 /0 в

ЗаВИСИМОСтИ От 21/Во, КОГДа Кщ/EM ПРИНИмает значения соответственно 0,10; 0,01 и

0,00.

Пример. Проходят горизонтальную одиночную горную выработку 1 сводчатого сечения с размерами в проходке 4 х 4 м.

Проходку осуществляют в крепких упругих породах, она сопровождается динамическими проявлениями горного давления (интенсивным стрелянием и разрушением кровли выработки). С целью предотвращения разрушения выработки и повышения безопасности работ применяют разгрузочную щель 2. Для этого сначала определяют направление максимальных сжимающих напряжений 3 (в данном примере они субгоризонтальны). Определяют ширину зоны приконтурных нарушенных пород 4. Для одиночных выработок зта зона составляет

Л =(0 10 — 0,15) Во, Щель сооружают буровзрывным способом. Для этого сначала определяют отношение модуля деформации разрыхленной породы, заполняющей разгрузочную щель, к модулю упругости пород приконтурного массива, Это отношение зависит от технологических параметров буровзрывных работ при сооружении щели и от свойств самих пород, Далее определяют положение на контуре выработки точки с максимальными сжимающими тангенциальными напряжениями. В данном примере это т.А на фиг.1, расположенная в вершине свода. Разгрузочную щель образуют при помощи камуфлетного взрывания так, чтобы она пересекала контур выработки в этой точке. При этом расстояние между шпурами диаметром 42 мм выбирают равным 300 мм, осуществляют заряжение патронированным аммонитом hL 6 ЖВ и взрывают. При такой технологии и данных параметрах БВР отношение модуля деформации разрыхленной породы к модулю упругости пород приконтурного массива составит приблизительно Кщ/Ем = 0,10. Далее определяют в соответствии с предлагаемым изобретением, оптимальную для данной технологии и данных параметров БВР глубину щели

lопт = (Во + 2 Л) (0,225 — Кщ/Ем) + Л =

= (4,0+2 0,6) (0,225 — 0,1)+0,6 1,25 м (Л =0,15 4,0 =О,бм) На графике 1 (фиг.2) т .К соответствует оптимальной глубине щели. График получен при моделировании разгрузки выработки без учета мощности зоны нарушенных по5 род (Л= О). Действительно, приравняв

Л = О, получим 1опг=4,0 (0,225-0,1) =0,5; 21/Bp =

2 05

=0,25; 0 /О = 2,0. Далее бурят шпуры глубиной 1,25 м в соответствии с

10 паспортом БВР так, что они пересекают контур выработки в т.А и направлены перпендикулярно напряжениям. Если раз. грузочные мероприятия, выполненные по такой технологии (камуфлетным взрыва15 нием), с данными параметрами БВР в рассматриваемых условиях не привели к необходимому эффекту разгрузки контура выработки, то целесообразно либо заменить технологию, либо параметры разгру20 зочных мероприятий. Из графиков на фиг.2 видно, что уменьшение отношения Кщ/Ем ведет к увеличению степени разгрузки приконтурного массива. Следовательно, если применение описанного мероприятия не ус25 транило разрушение выработки вдинамической форме, необходимо применить технологию, обеспечивающую меньшее значение отношения Кщ/Ем. Например, используем для разгрузки контура выра30 ботки сплошные полые щели. В этом случае.Кщ/EM = 0,00, Щель ориентируют, как показано на фиг,1, Далее определяют в соответствии с предлагаемым изобретением оптимальную для данного отношения

35 Кщ/Ем глубину щели

lопт = (Во +2 Л) (0,225 — Кщ/Ем)+ Л=

= (4,0+2 0,60) (0,225 — 0,00)+ 0,60 1,77 м, Далее буровым станком HKP — 100 бурят скважины диаметром 105 мм таким обра40 зом, чтобы получалась сплошная полая щель, ориентированная, как показано на фиг.1. Скважины бурят вплотную или даже с перекрытием поперечных сечений. Щель, образованная таким образом, позволяет

45 практически полностью разгрузить контур выработки от высоких сжимающих напряжений (см. график 3 на фиг,2; при

Л= О, !опт = 0,9, 21/Âî = 2 0,9/4,0 = 0,45, т, 1, сг /o -0,20), 50 Необходимо заметить, что предлагаемый подход к определению оптимальной глубины щели в зависимости от отношения

Кщ/EM универсален, т.е. не зависит от технологии сооружения разгрузочной щели.

55 Если мы для сооружения щели используем либо лазерный способ, либо огневое бурение, либо какой-нибудь другой способы, например электрофизический, химический или механический способы, параметры раз1739040 на разгрузке контура выработки: как уменьшение глубины щели, так и ее увеличение, по сравнению с оптимальной приведет к увеличению опасных концентраций сжима5 ющих напряжение на контуре выработки вблизи т.А.

Формула изобретения

Способ разгрузки контура горной выработки от сжимающих напряжений, включа10 ющий определение направления максимальных сжимающих напряжений; действующих в окружающем выработку массиве горных пород, формирование разгрузочной щели, буровзрывным способом, 15 лежащей в плоскости, перпендикулярной направлению максимальных сжимающих напряжений и пересекающей контур выработки в точке с максимальными тангенциальными сжимающими напряжениями, от20 л и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения устойчивости выработки и безопасности проходческих работ, а также снижения затрат на проведение защитных мероприятий, дополнительно onределяют мощность

25 приконтурной зоны нарушенных пород и определяют модуль упругости пород окружающего выработку массива и модуль деформации разрушенного от взрыва материала, заполняющего щель, а формирова30 ние разгрузочной щели производят на глубину, определяемую по формуле

1опт = (Во + 2 Д) (0,225 — Кщ/Е )+ Ь, м, где Bo — ширина горной выработки в проход35 ке,м;

Кщ — модуль деформации материала, заполняющего щель, МПа;

EM — модуль упругости пород окружаю40 щего горную выработку массива, МПа;

Известный способ

Предлагаемый cnoco6 I = !опт

2,0

0,30

6,67

4,60

1,20

1,2

0,00

1,25

0,30

4,17

2,88

0,75

1,5

2,17

Глубина щели, м

Расстояние между шпурами, м

Объем бурения, м/п,м

Условные затраты на бурение, руб/п.м

Затраты на ВМ, руб/п.м

Эффективность разгрузочных мероприятий о /о

Условная экономия, б/п.м грузки (оптимальная глубина щели) будут однозначно определяться отношением

К /Е.

Таким образом, для каждого фиксированного значения Кщ/EM существует своя оптимальная глубина щели (1опт), при которой достигается наибольшая разгрузка контура горной выработки вблизи наиболее напряженной точки {т.Д, фиг.1).

Степень разгрузки контура горной выработки пропорциональна величине

1/(К ц/Е ) (0 /0 Кщ/Ем), Чем более податливый материал, заполняющий щель, тем при большей глубине щели достигается наибольшая для данного отношения Кщ/Е> разгрузка контура горной выработки (Кщ/Еи " 1/ опт).

В табл.1 сравниваются технико-экокомические показатели предлагаемого способа разгрузки выработки с известным способом. В обоих случаях разгружают выработку сечением 4 х 4 м сводчатого сечения. Эффективность разгрузочных мероприятий характеризуется отношением а /о (чем меньше о /o, тем эффективнее мероприятие по разгрузке).

Из таблицы видно, что предлагаемый способ более эффективен для разгрузки контура горной выработки благодаря тому, что сжимающие тангенциальные при его реализации напряжения уменьшаются в 1,5 раза (вблизи т.А), а при реализации известного способа эти напряжения снижаются лишь в 1,2 раза. Увеличение разгрузки контура выработки положительно повлияет на повышение устойчивости горной выработки и безопасности проходческих работ. Кроме этого, применение предлагаемого способа позволяет существенно снизить затраты на проведение разгрузочн ых мероп риятий.

Из графика на фиг.2 видно, что неправильный выбор оптимальной глубины разгрузочной щели отрицательно сказывается

Технико-экономические показатели

Л вЂ” мощность приконтурной зоны нарушенных пород, м.

1739040

9,, р р р д РЮ 10 /4

PuzZ

Составитель Л. Березкина

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор Н. Ревская

Редактор С. Пекарь

Заказ 1987 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101