Способ предотвращения горных ударов и повышения обрушаемости кровли

 

Изобретение относится к повышению безопасности ведения подземных горных работ на шахтах, опасных по горным ударам и с труднообрушаемой кровлей. Способ включает оконтуривание блоков пород щелями по замкнутому контуру. Отличием способа является то, что блоки пород сооружают путем последовательного нарезания их щелями глубиной, равной половине нормального расстояния между очистными горизонтами и шириной не более высоты блока. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к повышению безопасности ведения подземных горных работ на шахтах, опасных по горным ударам и с труднообрушаемой кровлей.

Ближайшим аналогом является способ управления деформированием подрабатываемого массива пород с целью устранения деформаций земной поверхности (а. с. N 372351 с приоритетом от 16.02.1971, автор Ю.И.Мартынов. Бюлл. N 13, опубл. 01.03.1973). Недостатком аналога является, согласно формуле изобретения, большая глубина щелей, а следовательно, высокая трудоемкость. Глубина щелей не зависит от деформаций земной поверхности. Известен способ управления кровлей (авт.св. СССР N 1453025 приоритет от 15.12.86, авторы: Чакветадзе Ф.А. Чакветадзе Р.А. Ерохин В.Л, Присташ В.В.). Суть его состоит в следующем. Из откачного и вентиляционного штреков под углом бурятся скважины, которые взрываются и нагнетается жидкость (мочевина), но лучше вода. В результате чего происходит интенсивное набухание вмещающих пород от 5 до 30% Это должно обеспечить по замыслу авторов конвергенцию почвы и кровли. Названное авторское свидетельство может служить ближайшим прототипом предполагаемого изобретения. Недостатки следующие: 1. Может быть использовано только во вмещающих породах, которые могут значительно набухать (глины, алевролиты, аргиллиты), в противном случае не будет никакого эффекта.

2. На мощных пластах это не дает эффекта, не могут же породы дать увеличение мощности на несколько метров, чтобы обеспечить конвергенцию почвы и кровли.

3. Исключает использование его при работе по падению, так как вода будет двигаться за забоем и вызовет подтопление очистных работ.

4. Поскольку 60-70% угольных месторождений обводнены и процесс пучения пород прошел, то дополнительное увлажнение не дает необходимого эффекта.

5. Этот способ управления кровлей требует время для "замачивания" вмещающих пород, что не всегда возможно при обработке системами с обрушением и непрерывном горнодобычном процессе.

Диапазон использования этого способа весьма узок. Нами предлагается другой способ, свободный от названных недостатков и более эффективный.

Целью изобретения является повышение безопасности ведения подземных горных работ на шахтах, опасных по горным ударам и труднообрушаемой кровлей. Поставленная цель достигается тем, что заблаговременно по ходу следования очистных работ на верхнем горизонте, для снижения опасности горных ударов и повышения обрушаемости кровли, сооружается последовательность монолитных блоков, оконтуренных щелями, под которыми создается усиленное концентрированное наведенное энергетическое поле, равное энергии разрушения в оконтуренном блоке пород и реализуемое в дополнительном трещинообразовании под блоками с параметрами: высотой h, равной не менее половины нормального расстояния между очистными горизонтами и шириной l, равной или менее высоты блока.

Выявленные отличительные признаки не обнаружены в известных решениях, следовательно, предлагаемое решение отвечает критерию "существенные отличия".

Предлагаемое изобретение реализуется следующим образом. На участке, опасном по горным ударам или с труднообрушаемой кровлей, нарезаются блоки пород таким образом, чтобы щели одного служили щелями другого, как это показано на фиг. 1. Технология сооружения щелей буровзрывным способом широко известна и подробно изложена (Ю.И.Мартынов "Управление деформированием подрабатываемого массива горных пород глубокими щелями". М. Недра, 1995, с. 116, ил.). Сооружения щелей путем бурения скважин без обсадки и выхода керна осуществляются с верхнего горизонта на нижний (фиг. 2). Для этого используется вентиляционные и откаточные штреки, пространство лавы или специально проводимые по углю сбойки малого сечения. В результате создания монолитного блока (при h≥l) выделилась бы энергия ΔЭ при продвижении трещины, если бы оно не сопровождалось затратами на пластические деформации в вершине и разрыв связей в материале, т.е.

ΔЭ = δA-δu, где δA энергия, идущая на продвижение трещины; δu высвобождаемая энергия в границах блока пород.

Энергия, идущая на сооружение щелей, может быть легко определена непосредственным путем (по энергозатратам на бурение скважин, расходу ВВ и его работоспособности), или согласно решению Инглиса с использованием теории Гриффитса, изменение энергии в пластине единичной толщины равно (В.З. Партон, Е.М.Морозов. "Механика упругопластического разрушения", М. "Наука", 1985, с. 32). Равновесное состояние трещины наступает при δA = δu. В нашем случае силы, работающие на создание щелей, выступают как внешние силы относительно упругопластических деформаций высвобождаемой энергии, заключенной в объеме блока пород. Показано, что если тело находится в равновесии, то приращение работы внешних сил равно приращению работы деформации (С.Д. Демидов. "Теория упругости", М. "Высшая школа", 1979, с. 52).

Итак , где h глубина щелей, σ- напряжение растяжения, создаваемое при растяжении, dl- приращение трещин в блоке пород в пространстве, E модуль линейной упругости.

Поскольку блок пород не разрушается и только слабо деформируется (Пат. N 1656129 СССР, E21D5/00. Способ управления деформированием подрабатываемого массива; Ю. И. Мартынов (СССР), N 421010/03; Заявление 18.08.87. Опубл. 15.01.91 Бюл. N 22), то энергия, предназначенная для разрушения блока пород, пойдет на разрушение пород под блоком, где согласно принципу суперпозиции на имеющееся энергетическое поле накладывается энергетическое поле, заключенное в границах S блока пород (фиг. 2). Поскольку протяженность трещин эквивалентна энергии трещинообразования, то суммарная протяженность трещин (щелей), оконтуривающих блок, в плоской задаче она равна 2h, должна быть равной суммарной протяженности трещин, полученных в результате дополнительного энергетического поля, наведенных монолитным, слабо деформируемым, блоком пород. Покажем это экспериментально (см. таблицу).

Таким образом, чем больший объем пород оконтурировается щелями, тем больше энергии идет под блок и мельче дробится порода.

Использование этого способа борьбы с горным давлением отличается меньшей трудоемкостью (в 2 раза), а по эффективности он эквивалентен способу, если бы щели разрезали всю толщу с верхнего горизонта до очистного.

Формула изобретения

Способ предотвращения горных ударов и повышения обрушаемости кровли, включающий оконтуривание блоков пород щелями по замкнутому контуру, отличающийся тем, что блоки пород сооружают путем последовательного нарезания их щелями глубиной, равной половине нормального расстояния между очистными горизонтами и шириной не более высоты блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3