PL216537B1 - Sposób wzmacniania skał w otoczeniu istniejących wyrobisk górniczych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wzmacniania skał w otoczeniu istniejących wyrobisk górniczych, przydatny w szczególności w przypadku wyrobisk z obudową sztywną murową, czy betonową, zarówno poziomych, jak i nachylonych, bądź pionowych.

Wraz ze schodzeniem z eksploatacją górniczą na coraz większe głębokości wzrasta problem utrzymania w stanie zdatnym do użytkowania wyrobisk korytarzowych i wyrobisk udostępniających, takich, jak przekopy główne, czy szybiki. Trzeba przy tym zauważyć, że schodzenie w dół eksploatacją powoduje narastanie zjawisk dynamicznych, oddziałujących na wyrobiska górnicze, zwłaszcza zaś tąpań stanowiących istotne zagrożenie dla bezpieczeństwa pracy w kopalni. O ile w wyrobiskach eksploatacyjnych problem ten jest w sposób wystarczający rozwiązywany dzięki nowoczesnym konstrukcjom obudów zmechanizowanych, o tyle w wyrobiskach korytarzowych i pionowych stopień opanowania ciśnień i odprężeń dynamicznych nie jest wystarczający. Stąd też często występują spękania obudowy obniżające jej nośność i wytrzymałość oraz narastające w czasie niszczenie skał bezpośrednio przylegających do obudowy, powodujące brak właściwej współpracy obudowy z górotworem, a w efekcie gwałtowne niszczenie odcinków obudowy wyrobiska. Dotychczas stosowanymi metodami zabezpieczenia wyrobisk przed deformowaniem i niszczeniem są przede wszystkim wzmocnienia obudowy rozporami, dodatkowymi odrzwiami poligonowymi lub stosami zabezpieczającymi, co zdecydowanie wpływa na funkcjonalność wyrobiska i rodzi dodatkowe koszty takiego zabezpieczenia. Jeśli zaś uszkodzenia są już zbyt duże, niezbędnym jest wykonanie przebudowy wyrobiska, co jest przedsięwzięciem kosztownym i niebezpiecznym, względnie nawet wykonanie całkiem nowego wyrobiska stanowiącego bocznik dla wyrobiska zniszczonego. Wszystkie znane sposoby zabezpieczenia stanowią przy tym czynnik ogromnie dezorganizujący pracę kopalni, co w praktyce może być bardzo uciążliwe.

Znany jest, na przykład z polskiego opisu patentowego nr 189 673 sposób uszczelniania górotworu polegający na wykonaniu otworów iniekcyjnych w górotworze wokół projektowanego wyrobiska, w które pod ciśnieniem zatłacza się płynny środek uszczelniająco wzmacniający, przechodzący w określonym czasie w stan stały. Przestrzenne rozmieszczenie otworów, ich wzajemną odległość i długość ustala się w oparciu o przeprowadzone wcześniej badania szczelinowatości górotworu. Jest to sposób możliwy do wykorzystania w zasadzie przy wykonywaniu nowego wyrobiska, natomiast nie przy remoncie już istniejącego.

Znany jest ponadto, na przykład z polskiego opisu patentowego nr 167 902, sposób aktywnego zabezpieczenia przed skutkami tąpań i wstrząsów w otoczeniu wyrobisk górniczych, w którym na bazie dokonanych pomiarów geofizycznych wyznacza się według matematycznej zależności szerokość strefy buforowej przy wyrobisku górniczym, wytwarza się w tej strefie buforowej strefę spękań, a następnie do części strefy buforowej przy ociosach wyrobiska zatłacza się przez otwory wiertnicze dwuskładnikowy klej poliuretanowy, zapobiegający po związaniu ruchowi druzgotu węglowego do wyrobiska górniczego. Sposób ten teoretycznie pozwala na zabezpieczenie wyrobiska przed tąpnięciem, lecz w praktyce może dawać różne skutki, chociażby ze względu na znaczną zmienność wartości mierzonych, uwzględnianych przy obliczeniach.

Ponadto, dla zabezpieczenia wyrobisk górniczych przed wpływem wody z górotworu, stosuje się iniekcję dwustopniową, co ujawnione zostało w wydawnictwie „Materiały Szkoły Eksploatacji Podziemnej” '96 z konferencji odbytej w Szczyrku w dniach 26 02 + 1 03 1996 r., wydanym w Krakowie w 1996 r. Sposób ten polega na wtłoczeniu wokół obudowy wyrobiska zewnętrznej warstwy iniekcyjnej, poza którą, po jej związaniu, zatłacza się następną warstwę izolująca wyrobisko od wpływu wody. Jest to jednak technologia nie mająca istotnego wpływu na ukształtowanie się obciążeń mechanicznych w przestrzeni górotworu otaczającego wyrobisko, jako że służy tylko do zamknięcia kanałów i spękań prowadzących wodę.

Celem wynalazku jest opracowanie takiego sposobu wzmacniania skał w otoczeniu istniejących wyrobisk górniczych, który będzie zdecydowanie łatwiejszy w wykonaniu, a przy tym znacznie tańszy i bardziej uniwersalny.

Sposób według wynalazku polega na tym, że do górotworu otaczającego istniejące, podlegające wpływom sił niszczących wyrobisko zatłacza się w strefy tworzone na różnych przedziałach głębokości środki wiążące chemoutwardzalne o zróżnicowanych dla każdej strefy parametrach wytrzymałościowych.

PL 216 537 B1

Korzystnym jest, gdy strefę zlokalizowaną w bezpośrednim sąsiedztwie obudowy wyrobiska wykonuje się ze środków wiążących chemoutwardzalnych o największej wytrzymałości mechanicznej po związaniu.

Najlepiej jest również, gdy między strefami górotworu, do których zatłoczono środek wiążący chemoutwardzalny o wysokiej wytrzymałości mechanicznej, wykonuje się strefę o bardzo małej wytrzymałości mechanicznej, która tworzy strefę amortyzującą obciążenia statyczne i dynamiczne, oddziałujące na obudowę wyrobiska.

W takim przypadku możliwym jest takie wykonanie sposobu, że po wykonaniu skrajnych stref o wysokiej wytrzymałości mechanicznej, strefę amortyzującą, leżącą pomiędzy nimi, dezintegruje się, na przykład szczelinuje, co tworzy bufor rozładowujący oddziaływanie nagłych sił dynamicznych.

Pożądanym jest takie wykonanie sposobu, w którym w pierwszej kolejności z wyrobiska wierci się otwory do najbardziej na zewnątrz wyrobiska położonej strefy, zakłada się w nich kotwie iniekcyjne z odpowiednio usytuowanym zespołem uszczelniającym otwór kotwiowy i zatłacza się przez te kotwie iniekcyjne środek wiążący chemoutwardzalny o przeznaczonej dla tej strefy wynikowej wytrzymałości mechanicznej, a następnie kolejno wierci się otwory i zatłacza się przez kotwie iniekcyjne z odpowiednio ustawionymi zespołami uszczelniającymi środek wiążący chemoutwardzalny dobrany do kolejnych stref zbliżających się do obudowy wyrobiska.

W praktyce dobrze jest, gdy wzmacnianie skał przy wyrobisku wykonuje się postępująco pasami o dobranej do warunków lokalnych ich szerokości, co zdecydowanie zmniejsza dezorganizację w normalnym użytkowaniu wyrobiska, a jednocześnie zwiększa bezpieczeństwo pracy.

Odmiana sposobu według wynalazku polega na tym, że najpierw zatłacza się środki wiążące chemoutwardzalne w strefę najgłębiej położoną w otoczeniu pełnej obudowy wyrobiska, po czym zatłacza się środki wiążące chemoutwardzalne między tą zatłoczoną strefę a pełną obudowę wyrobiska, tworząc zewnętrzną strefę.

Korzystnym jest, gdy środek wiążący chemoutwardzalny podawany bezpośrednio pod płaszcz obudowy wyrobiska zatłacza się pod ciśnieniem znacznie niższym od ciśnienia zatłaczania środka wiążącego chemoutwardzalnego do strefy wgłębnej górotworu.

Zasadniczą zaletą sposobu według wynalazku jest to, że w górotworze otaczającym wyrobisko wytwarza się strefy o dobranej do głębokości wytrzymałości mechanicznej i grubości, przez co górotwór pracuje jako wiązka powiązanych belek, a to daje w efekcie lepsze utrzymanie wyrobiska. Dodatkowo, poprzez zróżnicowanie wytrzymałości można wytworzyć taki układ stref, w którym strefy o niskiej wytrzymałości mechanicznej zlokalizowane między strefami o wysokiej wytrzymałości mechanicznej pracować będą jako przejmujące i rozpraszające obciążenia dynamiczne oddziaływujące na wyrobisko. Przy wykonywaniu kilku stref otwory kotwiowe rozłożone są według przesuniętych względem siebie siatek wierceń, co w efekcie daje wykonanie w górotworze wokół wyrobiska płaszcza wzmocnionego i zrekonsolidowanego górotworu, a przez to zdecydowaną poprawę warunków utrzymania wyrobiska.

Sposób według wynalazku pozwala na dostosowanie do zróżnicowanych, konkretnych warunków występujących w' otoczeniu wyrobiska na zadanym jego odcinku, co czyni go uniwersalnym w odniesieniu do wyrobisk zarówno poziomych, jak i pionowych występujących W kopalniach węgla kamiennego.

Wynalazek został bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, gdzie fig. 1 przedstawia w schematycznym uproszczeniu wyrobisko chodnikowe wzmocnione trzema strefami wykonanymi za pomocą kotwi iniekcyjnych i środka wiążącego chemoutwardzalnego, a fig. 2 - fragment wyrobiska w obudowie murowej w przekroju poprzecznym, wzmocnionego kotwiami iniekcyjnymi i środkiem wiążącym zatłoczonym przez te kotwie do górotworu.

W pierwszej kolejności na długości wybranego pasa wyrobiska 1 (fig. 1) wierci się na obwodzie jego obudowy 2, według założonej siatki wierceń otwory kotwiowe 3. Następnie, w otworach kotwiowych 3 umieszcza się kotwie iniekcyjne 4 z zespołami uszczelniającymi 5 usytuowanymi na głębokości l1 i przez te kotwie iniekcyjne 4 wtłacza się środek wiążący poliuretanowy o bardzo wysokiej wytrzymałości mechanicznej po związaniu. Zainiekowany za pomocą tych kotwi iniekcyjnych 4 górotwór 6 po związaniu środka wiążącego tworzy strefę A wzmocnienia, otaczającą wyrobisko 1 w odległości większej niż głębokość l1 zatłaczania środka wiążącego.

Po zakończeniu tworzenia wgłębnej strefy A wierci się wokół wyrobiska 1, w przesuniętej względem pierwotnej siatce wierceń otwory kotwiowe 7, zachodzące do strefy A i osadza się w nich kotwie iniekcyjne 4 z zespołami uszczelniającymi 5 usytuowanymi na głębokości I2, a następnie zatła4

PL 216 537 B1 cza się przez nie środek wiążący poliuretanowy o bardzo niskiej wytrzymałości mechanicznej po związaniu, dobranej odpowiednio do wytrzymałości skał otaczających górotworu 6. Wtłoczony środek wiążący po związaniu tworzy strefę B otaczającą wyrobisko 1 w odległości zawierającej się między głębokością l1 strefy A i I2 strefy B. W ostatniej fazie C, przy przesuniętej siatce wierceń, wierci się na obwodzie wyrobiska 1 otwory kotwiowe 8, zachodzące do strefy B i osadza się w nich kotwie iniekcyjne 4 z zespołami uszczelniającymi 5 zlokalizowanymi bezpośrednio w rejonie obudowy 2 wyrobiska 1. Zatłaczając przez te kotwie iniekcyjne 4 środek wiążący poliuretanowy o bardzo wysokiej wytrzymałości mechanicznej po związaniu wytwarza się wokół wyrobiska 1 strefę C zainiekowanego górotworu 6. Zróżnicowana wytrzymałość mechaniczna stref A, B i C powoduje, że strefa B o najniższej wytrzymałości mechanicznej przejmuje i rozprasza, a więc amortyzuje energię uderzeń dynamicznych górotworu na wyrobisko 1, co chroni to wyrobisko 1 przed szybkim zniszczeniem.

W przypadku zabezpieczenia wyrobiska 1 w obudowie 2 murowej lub betonowej, pełniącego przykładowo funkcję szybika (fig. 2) wzmocnienie wykonywane jest według odmiany wynalazku. Najpierw na obwodzie wyrobiska 1 wierci się z określoną podziałką wierceń otwory kotwiowe 3, w których osadza się kotwie iniekcyjne 4 z zespołami uszczelniającymi 5 usytuowanymi w odległości I1 od końcówki kotwi iniekcyjnych 4, a następnie przez te kotwie iniekcyjne 4 zatłacza się środek wiążący poliuretanowy. W efekcie uzyskuje się wgłębną strefę D wzmocnienia górotworu 6 wokół wyrobiska 1. Następnie, przy przesuniętej siatce wierceń wokół wyrobiska 1 wierci się krótsze otwory kotwiowe 7, osadza się w nich kotwie iniekcyjne 4 z zespołami uszczelniającymi 5 usytuowanymi tuż przy, bądź w obudowie 2 wyrobiska 1 i zatłacza się przez nie środek wiążący poliuretanowy. W wyniku tego zatłaczania tworzy się wzmocniona strefa E, obejmująca część górotworu 6 między obudową 2 a strefą D, a także samą obudowę 2 poprzez zainfekowanie i wypełnienie wszystkich ewentualnych szczelin, spękań i ubytków tej obudowy 2.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wzmacniania skał w otoczeniu istniejących wyrobisk górniczych z wykorzystaniem zatłaczania środków chemoutwardzalnych do odrębnych warstw otaczających wyrobisko oraz kotwi iniekcyjnych osadzanych w otworach wierconych na obwodzie wyrobiska z podziałką dobraną do miejscowych warunków górniczo geologicznych, znamienny tym, że do otaczającego wyrobisko (1) górotworu (6) zatłacza się w strefy (A, B, C) tworzone na różnych przedziałach głębokości, środki wiążące o zróżnicowanych parametrach wytrzymałościowych.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że strefę (C) w bezpośrednim sąsiedztwie obudowy (2) wykonuje się ze środków wiążących chemoutwardzalnych o największej wytrzymałości mechanicznej po związaniu.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że między strefami (A, C) górotworu (6) zatłoczonym środkiem wiążącym chemoutwardzalnym o wysokiej wytrzymałości mechanicznej wykonuje się strefę (B) o bardzo niskiej wytrzymałości mechanicznej, stanowiącą strefę amortyzującą dla obciążeń działających na obudowę.
4. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że po wykonaniu skrajnych stref (A, C) o wysokiej wytrzymałości mechanicznej, strefę (B) między nimi szczelinuje się.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w pierwszej kolejności wierci się otwory (3) do najbardziej zewnętrznej strefy (A), zakłada się w nich kotwie iniekcyjne (4) z odpowiednio usytuowanym zespołem uszczelniającym (5) i zatłacza się środek wiążący chemoutwardzalny o przeznaczonej dla tej strefy (A) wytrzymałości mechanicznej, a następnie kolejno wierci się między nimi otwory (7, 8) i iniekuje przez kotwie iniekcyjne (4) z odpowiednio ustawionymi zespołami uszczelniającymi (5) środek wiążący chemoutwardzalny dobrany do kolejnych stref (B, C) zbliżających się do obudowy (2) wyrobiska (1).
6. 6. Sposób według zastrz. 1 albo 4, znamienny tym, że wzmacnianie skał wykonuje się postępująco pasami o dobranej do warunków szerokości wyrobiska (1).
7. 7. Sposób wzmacniania skał w otoczeniu istniejących wyrobisk górniczych, zgodnie z którym zatłacza się środki chemoutwardzalne do odrębnych warstw otaczających obudowę wyrobiska przez kotwie iniekcyjne osadzone w otworach wierconych na obwodzie wyrobiska z podziałką dobraną do miejscowych warunków górniczo-geologicznych i dla każdej z odrębnych warstw, znamienny tym, że najpierw zatłacza się środki wiążące chemoutwardzalne w strefę (D) najgłębiej położoną w otoczeniu

   PL 216 537 B1 pełnej obudowy (2) wyrobiska (1), po czym zatłacza się środki wiążące chemoutwardzalne między tą zatłoczoną strefę (D) a pełną obudowę (2) wyrobiska (1) tworząc zewnętrzną strefę (E).
8. 8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że środek wiążący chemoutwardzalny podawany do zewnętrznej strefy (E) pod płaszcz pełnej obudowy (2) zatłacza się pod ciśnieniem znacznie niższym od ciśnienia zatłaczania tego środka do strefy (D) wgłębnej.