Способ охраны горной выработки

 

Изобретение относится к строительству подземных сооружений и предназначено для проходки тоннелей. Цель - обеспечение устойчивости свода выработки (В) с вертикальной осью симметрии, сооружаемой в породах с коэффициентом бокового распора менее 1/3. Перед каждой заходкой впереди забоя В 1 формируют зону повышенных сжимающих напряжений. Для этого в забое на вертикальной оси симметрии В 1 вдоль ее продольной оси устраивают опережающую щель 4 на величину максимальной заходки. Нижний конец щели 4 располагают под контуром свода В 1 на величину ширины этого конца, а высоту определяют для конкретной горно-геологической ситуации из математического выражения. Затем щель 4 герметизируют и размещают в ней расширяющийся при затвердении раствор 6. За счет расширения раствора 6 при твердении производят силовое воздействие давлением определенной величины на вмещающие породы и образуют зону предварительно сжатых пород. Ее размер вдоль вертикальной оси симметрии В 1 формируют не менее максимальной высоты предполагаемой зоны растягивающих напряжений 2, возникающих в своде при проходе В 1. В неустойчивых породах возводят крепь, а в щель 4 вставляют перед размещением раствора 6 арматуру. После проходки В 1 раствор 6 с крепью омоноличивают. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. раствор 6 с крепью омоноличивают. 1 з.п. ф-лы, 3

СОЮЗ COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (S1)S E 21 D 11/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Сл

QO

СР

СР вМ

Фиг.2

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (?1) 4468059/22-03 (2?) 07.06.88 (46) 23.07.90. Бюл. ) " 27 (71) Грузинский политехнический институт им. В.И.Ленина и Московский горный институт (72) И.К.Гуджабидзе, Т.В.Хурошвили, .С.А.Бачурин, П.А.Бочикашвили и Д.А.Гзиришвили (53) 622.284.4(088.8) (56) Маковский Л.В. Городские подземные транспортные сооружения. - М.:

Стройиздат, 1985 c ° 339-343 °

Авторское свидетельство СССР

)) 146)966, кл. E 21 D 11/00, 1987. (54) СПОСОБ ОХРАНЫ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ (57) Изобретение относится к строительству подземных сооружений и предназначено для проходки тоннелей.

Цель - обеспечение устойчивости свода выработки (В) с вертикальной осью симметрии, сооружаемой в породах с коэффициентом бокового распора менее 1/3. Перед каждой заходкой впереди забоя В 1 формируют зону повышенных сжимающих напряжений, Для

„.80„„1580014 А1

2 этого в забое на вертикальной оси симметрии В 1 вдоль ее продольной оси устраивают опережающую щель 4 на величину максимальной заходки. Нижний конец щели 4 располагают под контуром свода В 1 на величину ширины этого конца, а высоту определяют для конкретной горно-геологической ситуации из математического выражения.

Затем щель 4 герметизируют и размецают в ней расширяющийся при затвердении раствор 6. За счет расширения раствора 6 при твердении производят силовое воздействие давлением опре" деленной величины на вмещающие породы и образуют зону предварительно сжатых пород. Ее размер вдоль вертикальной оси симметрии В 1 формируют не менее максимальной высоты предло" лагаемой зоны растягивающих напряжений 2, возникающих в своде при проходе В 1. В неустойчивых породах возводят крепь, а в цель 4 вставляют перед размещением раствора 6 арматуру. После проходки В 1 раствор 6 с крепыш омоноличивают. 1 з.fl ф-лы, 3 ил.

1580014 б() ---- — («- Л)(1 — )

)Н Г R

2 Г2

R — (1-Ь) (1+3 — )) сос2 с, и Н (1 — Л )(1 — 3 — )

У8 2

R2

+ 2 — ) «sin28.

Г2 (2) & — ((+ Л )(1 — ) +

pHг R2

Граница опасной зоны 2 растягиваю+ (1 — A ) (1 — 4 — + 3 —,) соз2Д щих напРяжений г ,1

1 — Л ) cos29 (3) — 1? со з 2 б (1 — Л + (1 — Л ) 2 co s 28) Указанная зона 2 имеет максимальную высоту h»„ = г — R при . 9 =, 90, т.е. на вертикальной оси симметрии .выработки 1. С учетом сказанного определяют максимальную высоту предпола гаемой зоны 2 растяги вающих на и ряжений:

1 (4)

23Л

В макс где В - ширина выработки для круглой выработки (В = 2R).

Максимальная ширина Ь „: предполагаемой зоны 2 растягивающих напряжений 6 для выбранной координат8 ной системы:

Ь . = Bcos8+

М кс . I где значение

% 1 1+Л

0%- — соя 2(1 Л) (6) Изобретение относится к строительству подземных сооружений, в частности к способам проходки тоннелей в условиях преобладающего вертикального давления с применением опережающего крепления.

Целью изобретения является обеспечение устойчивости свода выработки с вертикальной осью симметрии, сооружаемой в породах с коэффициентом бокового распора менее 1/3.

На Фиг. 1 изображена выработка, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, поперечный .разрез; на фиг. 3 - графи- 15 ки распределения напряжения в кровле выработки.

При проходке выработки 1 круглой или сводчатой формы в породах с коэф1

Фициентом бокового распора Л < —, 20 в ее кровле формируется зона растягивающих напряжений 2, уровень которых можно определить по известным зависимостям:

25 где 6 и - соответственно радиО альные и тангенциальные нормальные напряжения, МПд 1

r и 9 - цилиндрические координаты (О - отсчитывается от оси 0Х направленного горизонтально, 0У направлен вертикально, а начало координат расположено в центре выработки);

R - радиус выработки, м. !

<асательные напряжения

Таким образом, максимальные разл1еры предполагаемой зоны 2 растягивающих нормальных напряжений с их макси- . мальными значениями имеют: по вертикали вдоль оси ОУ, а по горизонтали вдоль линии Y = R.

После установления размеров и месторасположения предполагаемой зоны

2 растягивающих нормальных напряжений необходимо провести мероприятия, направленные на компенсацию этих зон 2 до проведения выработки 1, и, следовательно, проходку последней производить в более благоприятных условиях. Наиболее рациональным является предварительное направленное перераспределение напряжений впереди забоя 3 в кровле выработки 1, для чего в нетронутом массиве Формируют зону повышенных сжимающих напряжений, абсолютная величина которых сопоставима с растягивающими напряжениями, которые возникнут после проходки выработки 1 ° Зону повышен1580014 ных сжимающих напряжений в массиве впереди забоя Формируют путем силового воздействия на него через заранее сделанную полость 4 давлением определенной величины.

Высокое да вление целесообра з но создавать не путем нагнетания растворов, при котором требуется соответствующее оборудование и соблюдение ПБ, а за. счет самопроизвольного расширения материала, размещенного в опережающей полости 4. При изучении закономерностей формирования напряженного состояния вокруг полостей 4 различной конфигурации установлено, что наиболее рациональной с точки зрения технологии сооружения полости, вокруг которой формируются достаточные сжимающие напряжения при созда- 20 нии давления внутри нее, является щель 4.

При этом неебходимо, чтобы высота опережающей щели 4 была не менее высоты предполагаемой зоны 2 растягиваю- 25 щих напряжений, возникающей при проходке выработки 1. Поскольку максимальных своих значений растягивающие напряжения достигают в центральной части свода, то щель 4 необходимо располо- gp жить вдоль вертикальной оси симметрии выработки 1 - оси OY.

Распределение нормальных напряжений вокруг прямолинейной щели, расположенной вдоль оси OY задается выражением: размеров растягивающие напряжения в направлении OY до. нужной степени скомпенсированы, если величину .давления в щели 4 подобрать следующим образом: (10) Р = 6 - уН(ЗЛ - 1).

8 концах щели 4 возникают растягивающие напряжения, поэтому необходимо щель 4 по вертикальной симметрии оси OY выработки расположить так, что ее концы выходят за границами зоны растягивающих напряжений

2 на величину ширины конца щели 4.

Тогда высоту щели 4 определяют

-1 +21,(11) В

}1 =—

Таким образом, перед каждой заходкой впереди забоя 3 выработки 1

Формируют зону повышенных сжимающих напряжений. Для этого в забое 3 на вертикальной оси симметрии выработки

1 вдоль ее продольной оси устраивают опережающую щель 4. Для создания опережающей щели 4 могут быть использованы, например, такие известные методы, как бурение в ряд секущихся скважин, бурение рядом расположенных скважин и осуществление гидроразрыва или гидроразмыва промежутков между ниии, а также прорезание баром. Опережающую щель 4 устраивают на величину максимальной заходки 5. При этом нижний конец опережающей щели 4 располагают под контуром свода будущей выработки 1 на величину ширины ее нижнего конца (или диаиетра скважины, если ее создают путем бурения), а высоту определяют для конкретной горногеологической ситуации из выражения (11), 1 г ("- ) (° ) т () (Р +2р cos2 8 +1) J (P — 1) (1+2P +p +4P cos28 40 (P4+2 cos26 +1)

P 1

P (8 где P - давление, создаваемое на сте- . нах щели, МПа, 45

Для удобства ведения работ целесообразно возвести нишу (не показана) для размещения в ней оборудования для устройства щели 4. Последнюю герметизируют при этом в неустойчивых породах, для этого в забое возводят перемычку (не показана) . После устройства щели 4 и герметизации в ней размещают, например, нагнетанием расширяющийся при твердении раствор 6, например, расширяющегося или самонапрягающегося цемента. Давление нагнетания и состав раствора 6 подбирают (9) 1/2

1 — длина щели, м.

При переходе от центральной части щели 4 к ее концам уровень сжимающих напряжений снижается, но это снижение происходит медленнее, чем снижение абсолютных значений растягиваю,щих напряжений 2 в этом же направлении.

Таким образом, при правильном выборе месторасположения щели 4 и ее

1580014 так, что развиваемое им при твердении давление соответствует значению выражения (10) . Затем за счет расширения раствора 6 при твердении производят силовое воздействие на 5 вмещающие породы и образуют зону предварительно сжатых пород, пойеречный размер которой вдоль вертикальной оси симметрии выработки Формируют

1О не менее ма ксимальнои высоты предполагаемой зоны 2 растягивающих напряжений, возникающих в своде при проходке выработки 1.

В определенных горно-геологичес" !

5 ких условиях силовое воздействие не превышает атмосферное давление,т.е. раствор 6, расширяясь до конечных размеров, должен только. заполнить щель 4 и не оказывать давления на ее

20 стенки.

В неустойчивых породах, где несмотря на перераспределение напряжений необходимо возводить постоянную крель в опережающей щели 4, устраивают ребро жесткости. Для этого в нее перед нагнетанием расширяющегося раствора 6 вставляют арматуру (не показана), а по мере проходки выработки после возведения крепи соединяют с последней в единое целое.

Раствор 6, расширясь в замкнутом пространстве, значительно увеличивает свою прочность по сравнению со свободно расширяющимся. Кроме того, воздействуя на арматуру, он производит ев предворительное напряжение.

После затвердевания раствора 6, направленного перераспределения напряжений в своде и компенсации растягивающих напряжений зоны 2 впереди забоя

3, возобновляют работы по проходке выработки 1. Устройство в массиве опережающей щели 4 заполненной твердеющим раствором 6 в совокупности с направленным перераспределением напряжений служит элементом опережающего крепления.

Формула изобретения

1. Способ охраны горной выработки, включающий устройство опережающей полости впереди забоя, размещение в ней расширяющегося при твердении раствора, осуществляющего при расширении силовое воздействие .на вмещающие породы и формирующего зону повыI шенных напряжений в них, герметизацию полостей, проходку выработки, отличающийся тем, что, с целью обеспечения устойчивости свода выработки с вертикальной осью симметрии, сооружаемой в породах с коэффициентом бокового размера менее

1/3, определяют размеры предполагаемой зоны растягивающих напряжений, возникающих в своде выработки при ее проходке, а в зоне повышенных напряжений дополнительно Формируют зону сжатых пород, размер которой вдоль вертикальной оси симметрии выработки принимают не менее высоты предполагаемой зоны растягивающих напряжений, при этом опережающую полость устраивают в виде щели, которую выполняют на вертикальной оси симметрии выработки, и располагают ее нижний конец под контуром свода на величину ширины этого конца, а высоту h определяют из выражения в

h=2

-1 +2д, где h - -высота щели, м;

В - ширина выработки, м; коэффициент бокового распора, d. - ширина нижнего конца щели,м, при этом силовое воздействие на вмещающие породы для компенсации в них предполагаемой зоны растягивающих напряжений производят давлением, которое определяют из выражения

Р = 6р - Н(3 . - 1), гдеPдавление, создаваемое расши" ряющимся при твердении раствора, МПа; предел прочности вмещающих пород на растяжение, МПа; объемный вес вмещающих пород, HHiMS глубина заложения выработки, м.

2. Способпоп. 1, отличаяшийся тем, что в неустойчивых породах возводят крепь, а перед.размещением расширяющегося при твердении раствора в опережающую щель вставляют при этом арматуру, после проходки выработки затвердевший раствор с крепыш омоноличивают, 1580014

Составитель Л.Березкина

Техред Л,Олийнык Корректор Т.Иалец

Редактор И„Бланар

Заказ 1995 Тираж 387 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и от р м и отк ытиям при ГКНТ СССР

113035, Носква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. р д, II .Ужго о ул. Гагарина, 101