Способ крепления горных выработок

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к креплению горных выработок. Обеспечивает повышение эффективности крепления горных выработок за счет улучшения условий поддержания кровли. Способ включает бурение шпуров в местах сопряжения боков выработки с кровлей и установку поддерживающего верхняка. Бурение шпуров осуществляют на глубину l, которую рассчитывают по формуле l=С+Δl, где С - зона отжима боковых пород выработки, характеризующая их нарушенность, м, а Δl - участок шпура, следующий за зоной отжима С и превышающий последнюю по ее длине на 20-30% в зависимости от прочности боковых пород выработки, м, причем установку верхняка осуществляют из отдельных, как минимум, двух элементов путем введения их торцевых концов в шпуры и соединения выступающих в выработку концов этих элементов между собой с помощью скоб с гайками и планками. После установки верхняка, в составных элементах которых предварительно выполнены отверстия, с отставанием от проходческого забоя на расстояние, определяемое устойчивостью пород в кровле выработки, бурят шпуры в кровлю выработки через упомянутые отверстия и с помощью анкеров, вводимых в шпуры, поджимают составной верхняк к кровле выработки. 4 ил.

 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к креплению подземных горных выработок.

Известен способ проведения и крепления горной выработки, включающий обработку забоя под трапециевидное сечение с большим основанием у кровли, образование ниш и установку поддерживающего верхняка, концы которых располагают в нишах, при этом производят дополнительный распор верхняка в кровлю выработки посредством податливых элементов, размещенных в нишах (1).

Недостатком известного способа является практически невозможность завести верхняк в упомянутые ниши в стесненных условиях горной выработки, поэтому такое изобретение имеет чисто теоретический характер и не реализуемо с технико-технологической точки зрения. Следовательно, использование данного способа не в состоянии достигнуть поставленную данным изобретением цель - повысить эффективность крепления горных выработок.

Известен способ крепления горных выработок, включающий бурение шпуров в бортах выработки в местах их сопряжении с кровлей, установку в них штырей, подъем верхняка к кровле выработки, по которой предварительно раскатана сетчатая затяжка, и соединение верхняка со штырем посредством колец, имеющихся на штырях и верхняке. Затем во внутреннюю полость упомянутых колец вставляют клинья, при перемещении которых оба торца верхняка поднимаются и поджимают с определенным усилием сетчатую затяжку к кровле выработки (2).

Недостатком известного способа является недостаточная эффективность крепления горных выработок, поскольку под действием сил горного давления возможен выход из строя узлов соединения верхняка со штырями вследствие, например, деформации их клиньев, что приведет к нарушению их взаимодействия, снижению напряженного состояния в верхняке и соответственно к расслоению пород кровли выработки. В результате этого верхняк может потерять свое функциональное назначение (поддержание кровли) за счет утраты опоры штырей на массив породы в боках выработки.

Кроме того, монтаж узлов соединения верхняка со штырями не технологичен из-за сложности их конструкции и требует дополнительных затрат на его выполнение.

Таким образом, отмеченные недостатки снижают эффективность работы крепи и соответственно эффективность известного способа.

В основу изобретения поставлена задача создать способ крепления горных выработок, который позволил бы повысить эффективность крепления за счет улучшения условий поддержания кровли выработки, а также снизить затраты на монтаж поддерживающего верхняка за счет упрощения его конструкции.

Технический результат, достижение которого обеспечивает решение поставленной задачи, выражается в повышении устойчивости горных выработок при их эксплуатации за счет предупреждения расслоений и обрушений пород в кровле, особенно в условиях интенсивного их смещения на больших глубинах, путем опирания торцевых концов составных элементов верхняка на массив горных пород в боках выработки, обусловленного размещением упомянутых концов в шпурах, пробуренных за пределы зоны отжима боковых пород выработки, а также за счет поджатия верхняка к кровле выработки.

Для решения поставленной задачи в способе крепления горных выработок, включающем бурение шпуров в местах сопряжения боков выработки с кровлей и установку поддерживающего верхняка, согласно изобретению, бурение шпуров осуществляют на глубину l, которую рассчитывают по формуле:

l=С+Δl,

где С - зона отжима боковых пород выработки, характеризующая их нарушенность, м;

Δl - участок шпура, следующий за зоной С отжима боковых пород и превышающий последнюю на ее длине на 20-30% в зависимости от прочности боковых пород выработки, м, причем установку верхняка осуществляют из отдельных, как минимум, двух элементов, путем введения их торцевых концов в шпуры и соединения выступающих в выработку концов этих элементов между собой с помощью скоб с гайками и планками, а после установки верхняка, в составных элементах которых предварительно выполнены отверстия, с отставанием от проходческого забоя на расстояние, определяемое устойчивостью пород в кровле выработки, бурят шпуры в кровлю выработки через упомянутые отверстия и с помощью анкеров, вводимых в шпуры, поджимают составной верхняк к кровле выработки.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, изложенными в его формуле.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна".

Причинно-следственная связь между заявляемой совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом следующая.

Признак "бурение шпуров осуществляют на глубину l, которую рассчитывают по формуле

l==С+Δl,

где С - зона отжима боковых пород выработки, характеризующая их нарушенность, м;

Δl - участок шпура, следующий за зоной С отжима боковых пород и превышающий последнюю по ее длине на 20-30% в зависимости от прочности боковых пород выработки", позволяет выбрать рациональную длину шпура и тем самым предопределить возможность опирания торцевых концов верхняка на массив боковых пород после введения их в шпуры, имеющие глубину, большую, чем зона отжима боковых пород выработки.

Признак "причем установку верхняка осуществляют из отдельных, как минимум, двух элементов путем введения их торцевых концов в шпуры и соединения выступающих в выработку концов этих элементов между собой с помощью скоб с гайками и планками" совместно с вышеописанным признаком упреждает улучшенные условия поддержания кровли выработки, поскольку используется несущая способность массива боковых пород выработки вследствие введения торцевых концов элементов верхняка в шпуры, пробуренные за пределы зоны отжима боковых пород.

Кроме того, данный признак позволяет упростить технологию возведения верхняка у кровли выработки за счет уменьшения числа узлов соединения элементов верхняка и простоты их (узлов) конструкции и, как следствие, снизить затраты на монтаж верхняка.

Признак "а после установки верхняка, в составных элементах которых предварительно выполнены отверстия, с отставанием от проходческого забоя на расстояние, определяемое устойчивостью пород в кровле выработки, бурят шпуры в кровлю выработки через упомянутые отверстия и с помощью анкеров, вводимых в шпуры, поджимают составной верхняка к кровле выработки" регламентирует последовательность выполнения действий по завершению процесса установки верхняка у кровли выработки с обеспечением прижима его к кровле и созданием благоприятных условий для восприятия сил горного давления. Это позволяет предупредить расслоение и обрушение пород в кровле выработки, что не присуще для прототипа (2), и соответственно повысить устойчивость выработки при ее эксплуатации.

Кроме того, выполнение действий по данному признаку позволяет сократить технологический цикл крепления выработки, поскольку сокращается время на крепление выработки за счет того, что поддерживающий верхняк уже установлен непосредственно у проходческого забоя.

Однако заявитель, проведя дополнительный поиск известных технических решений, установил, что известно из описания изобретения к патенту Российской Федерации №2187650, кл. Е 21 Д 21/00(3), в котором прижатие верхняка к кровле выработки осуществляется за счет оснащения верхняка рамкой с пластинами, имеющими отверстия, через которые пропущены штыри, размещенные в вертикальных шпурах, пробуренных в кровле выработки, а также с помощью телескопических стоек, устанавливаемых под верхняк.

Недостатком данного решения является то, что вследствие наличия дополнительной механической связи верхняка со штырями, установленными в вертикальных шпурах по обе стороны от верхняка, не обеспечивается полное взаимодействие элементов системы "верхняк-штыри", т.к. верхняк работает в жестком режиме, а штыри - в податливом режиме. В результате при эксплуатации крепи под влиянием сил горного давления может произойти деформация или поломка элементов указанной системы, и соответственно возможно расслоение или обрушение пород кровли в рабочее пространство выработки, т.е. не обеспечивается достижение поставляемой цели - плотное прижатие верхняка к кровле выработки, что снижает эффективность применения известного способа (3).

Кроме того, для реализации известного способа требуются определенные затраты на изготовление и установку крепи (под верхняк дополнительно устанавливают телескопическую стойку), т.е. его реализация экономически нецелесообразна.

В заявляемом способе гарантированно упреждена возможность обрушения пород в кровле выработки в процессе ее эксплуатации, поскольку обеспечивается плотное прижатие верхняка к кровле под воздействием анкеров, которые совместно с верхняком образуют надежную в работе грузонесущую систему без применения дополнительных механических связей между ее элементами, создающую в достаточной степени силы подпора, чтобы противостоять силам горного давления.

Из изложенного следует, что прижатие верхняка к кровле по известному (3) и заявляемому решениям не подтверждает их идентичность, следовательно, не подтверждается известность влияния этого отличительного признака на указанный заявителем технический результат - повышение устойчивости выработки за счет улучшения условий поддерживания кровли выработки, обусловленного активным подпором ее со стороны верхняка.

Таким образом, совокупность существенных признаков, характеризующая сущность заявляемого способа, позволяет повысить устойчивость выработки за счет улучшения условий ее поддержания и соответственно эффективность крепления выработки.

Отсюда следует, что существенные признаки заявляемого изобретения находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом и из анализа уровня техники в данной области не очевидны явным образом для специалиста, что характеризует изобретательский уровень заявляемого технического решения.

Промышленное применение заявляемого изобретения обосновывается чертежами и нижеприведенным описанием изобретения.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где

- на фиг.1 изображена горная выработка, крепление которой осуществляется по предлагаемому способу, вид в плане;

- на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1 (штрихпунктиром показаны зона отжима боковых пород выработки и свод естественного обрушения пород кровли);

- на фиг.3 - разрез по Б-Б на фиг.1 (штрихпунктиром показаны зона отжима боковых пород выработки и свод естественного обрушения пород кровли);

- на фиг.4 - разрез по В-В на фиг.1.

Способ крепления горных выработок осуществляется следующим образом.

Горная выработка 1 проводится с помощью серийного проходческого оборудования, например проходческого комбайна, по пласту угля с подрывкой боковых пород известным способом.

После выемки горной массы в проходческом забое 2 в пределах проектного контура выработки 1 на глубину не менее чем шаг h установки крепи, в местах сопряжения боков 3 выработки 1 с кровлей осуществляют бурение шпуров 4 на глубину l, которую рассчитывают по формуле

l=С+Δl,

где С - зона отжима боковых пород выработки, характеризующая их нарушенность, м;

Δl - участок шпура, следующий за зоной С отжима боковых пород и превышающий последнюю по ее длине на 20-30% в зависимости от прочности боковых пород выработки, м.

По окончании работ по образованию шпуров 4 осуществляют установку поддерживающего верхняка 5, состоящего из отдельных элементов, например из двух элементов 6 и 7. Установку этих элементов осуществляют путем введения их торцевых концов в шпуры 4 и последующего соединения выступающих в выработку 1 концов этих элементов с помощью скоб с гайками и планками.

Затем с отставанием от проходческого забоя 2 на расстояние L, определяемое устойчивостью пород в кровле выработки 1, бурят шпуры 8 в кровлю выработки 1 через отверстия, предварительно выполненные в составных элементах 6 и 7 верхняка 5.

После этого в шпуры 8 вводят анкеры 9, которыми поджимают верхняк 5 к кровле выработки 1 при навинчивании гайки по резьбе конца каждого анкера 9, выступающего в выработку 1. При креплении горных выработок, пройденных в условиях устойчивых и средней устойчивости горных пород, допускается принятие упомянутого расстояния L за проходческим оборудованием (10-20 м), что позволит повысить скорость проведения выработки в таких условиях.

Введение торцевых концов составных элементов 6 и 7 верхняка 5 в шпуры 4, имеющие длину l, большую, чем зона отжима боковых пород С, предотвращает выпадение этих концов верхняка 5 совместно с боковыми породами за счет опирания их на массив горных пород, используя тем самым их несущую способность.

Прижатие поддерживающего составного верхняка 5 к кровле выработки 1 обуславливает принцип быстрого включения его в работу с кровлей.

В результате установки верхняка 5 по заявляемому способу улучшаются условия поддерживания горных выработок за счет предупреждения расслоений и обрушений пород в кровле, а следовательно, повышается устойчивость выработки. За счет простоты конструкции верхняка 5 по сравнению с прототипом (2) упрощается процесс монтажа верхняка и соответственно снижаются затраты на его выполнение.

Таким образом, при использовании заявляемого способа крепления горных выработок по сравнению с существующими повышается эффективность крепления выработок, обеспечивающая работоспособное состояние при их эксплуатации, т.е. достигается решение поставленной задачи.

Источники информации, принятые во внимание

1. Авторское свидетельство СССР №1453027, кл. Е 21 Д 11/00, 1987.

2. Патент Российской Федерации №2142563, кл. Е 21 Д 11/15, 1996 (прототип).

3. Патент Российской Федерации №2187650, кл. Е 21 Д 21/00, 2000.

Способ крепления горных выработок, включающий бурение шпуров в местах сопряжения боков выработки с кровлей и установку поддерживающего верхняка, отличающийся тем, что бурение шпуров осуществляют на глубину l, которую рассчитывают по формуле

l=С+Δl,

где С - зона отжима боковых пород выработки, характеризующая их нарушенность, м;

Δl - участок шпура, следующий за зоной отжима С и превышающий последнюю по ее длине на 20-30% в зависимости от прочности боковых пород выработки, м,

причем установку верхняка осуществляют из отдельных, как минимум, двух элементов путем введения их торцевых концов в шпуры и соединения выступающих в выработку концов этих элементов между собой с помощью скоб с гайками и планками, а после установки верхняка, в составных элементах которых предварительно выполнены отверстия, с отставанием от проходческого забоя на расстояние, определяемое устойчивостью пород в кровле выработки, бурят шпуры в кровлю выработки через упомянутые отверстия и с помощью анкеров, вводимых в шпуры, поджимают составной верхняк к кровле выработки.