Подземная геотехнология : основы технологии сооружения участковых подземных горных выработок

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

№ 2704

Кафедра геотехнологий освоения недр

В.В. Мельник
Н.И. Абрамкин
В.Г. Виткалов

Подземная геотехнология

Основы технологии сооружения
участковых подземных горных выработок

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским советом 
университета

Москва  2016

УДК 622.273
 
М48

Р е ц е н з е н т
д-р техн. наук, проф. В.А. Атрушкевич

 
Мельник В.В.
М48  
Подземная геотехнология : основы технологии сооружения участковых подземных горных выработок : учеб. пособие / 
В.В. Мельник, Н.И. Абрамкин, В.Г. Виткалов. – М. : Изд. Дом 
МИСиС, 2016. – 93 с.
ISBN 978-5-87623-930-3

В учебном пособии представлены перспективные направления проведения 
участковых подземных горных выработок. Рассмотрены технологические основы проведения горных выработок, бурильные машины, типы проходческих 
комбайнов, породопогрузочных машин и комплексов. Изложены требования 
к крепежным материалам и конструкциям крепи, технологии и организации 
при проведении выработок. Уделено внимание проведению наклонных горных выработок. Приведены характеристики промышленных взрывчатых веществ (ВВ), способы и средства инициирования ВВ, расчеты параметров буровзрывных работ при проведении горных выработок. Материал представлен 
в доступной форме. Сделана попытка наиболее полно отразить характерные 
изменения, которые произошли в технике и технологии горного производства 
за последние годы.
Для студентов, обучающихся по специальности 130404 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» направление подготовки 21.05.04 
«Горное дело».

УДК 622.273

 В.В. Мельник,
Н.И. Абрамкин,
В.Г. Виткалов, 2016
ISBN 978-5-87623-930-3
 НИТУ «МИСиС», 2016

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие..........................................................................................4
1. Основные сведения о напряженно-деформированном
состоянии горного массива ..................................................................5
2. Понятие о горном давлении и определение его величины
в выработках ..........................................................................................7
3. Крепь горных выработок ................................................................13
3.1. Функции крепи горных выработок ............................................13
3.2. Деревянная крепь ........................................................................14
3.3. Арочная крепь  .............................................................................17
3.4. Смешанная крепь капитальных и подготовительных
выработок ............................................................................................18
3.5. Монолитная бетонная и железобетонная крепь ........................20
3.6. Анкерная (штанговая) крепь  ......................................................20
3.7. Набрызг-бетонная крепь  ............................................................44
4. Технологические схемы проведения горных выработок  ..............46
5. Форма и размеры поперечного сечения горных выработок .........55
6. Проведение горизонтальных выработок в мягких породах ..........63
6.1. Проведение горных выработок проходческими
комбайнами  .......................................................................................63
6.2. Проведение горных выработок с помощью
гидромеханизации  .............................................................................72
6.3. Технология сооружения широких подземных выработок 
мелкого заложения с использованием механизированных 
комплексов  .........................................................................................75
7. Проведение наклонных горных выработок  ..................................80
7.1. Особенности проведения наклонных горных выработок  ........80
7.2. Проведение бремсбергов и ходков .............................................81
7.3. Проведение уклонов и наклонных стволов ...............................83
7.4. Проведение горных выработок в крепких однородных
и неоднородных породах буровзрывным способом  ........................86
Библиографический список ...............................................................91

ПРЕДИСЛОВИЕ

Россия является одним из мировых лидеров по производству 
угля. В ее недрах сосредоточена треть мировых ресурсов угля и пятая 
часть разведанных запасов. Россия занимает второе место по запасам и пятое место по объему добычи угля.
В современных условиях подземной угледобычи полезных ископаемых важное место занимает своевременное проведение горных выработок для обеспечения бесперебойной работы горных 
предприя тий и своевременной подготовки фронта очистных работ.
Данная стратегическая задача может быть реализована благодаря 
современным подходам к выбору инновационных способов и технологий проведения подземных горных выработок, новой идеологии 
проектирования, максимально сокращающей экономические, технологические и организационные риски, в частности путем внедрения передовых технологий проведения участковых подземных горных выработок различного назначения.
 Определены направления повышения эффективности горного 
производства на основе перехода на высокопроизводительные технологические схемы подготовки и отработки запасов, выемочных 
полей и внедрения горнодобывающей технологии нового поколения.
В учебном пособии в доступной форме представлен материал, а 
также сделана попытка наиболее полно отразить характерные изменения, которые произошли в технике и технологии горного производства за последние годы. 
Целью учебного пособия является изучение студентами понятий 
и определений горного производства. В основу учебного пособия 
положен опыт передовых горнодобывающих предприятий угольной 
промышленности. В систематизированном виде изложен материал, 
что позволяет студенту проще его усваивать и способствует формированию логического мышления. 
Раздел 3 написан совместно с горным инженером А.И. Бухаником.

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
О НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОМ
СОСТОЯНИИ ГОРНОГО МАССИВА

Породы, расположенные на небольшой глубине от поверхности 
земли, испытывают воздействия массы толщи вышерасположенных 
пород, когда в нетронутом массиве горных пород отсутствуют какиелибо перемещения частиц.
Начальное поле напряжений в нетронутом массиве характеризуется величиной и направлением главных напряжений. 
Вертикальная составляющая напряжения σz на глубине H в элементарном кубике с ребром 1 см (рис. 1.1) равна

 
z
H
σ
γ
=
, 
(1.1)

где γ – средневзвешенная плотность толщи пород, кН/м3;
Н – глубина от земной поверхности, м.

Рис. 1.1. Схема к определению напряжений в массиве пород

Горизонтальные составляющие напряжений в условиях всестороннего сжатия

 
x
y
H
σ
σ
λγ
=
=
, 
(1.2)

где λ – коэффициент бокового давления.

Крепость пород равна

 
(
)
1
f λ
μ
μ
=
, 
(1.3)

где µ – коэффициент Пуассона, т.е. абсолютная величина отношения поперечной деформации к продольной; для большинства 
горных пород µ = 0,1–0,4, в среднем 0,2–0,25. 

Следовательно, σx = σy= 0,25σz.
При отсутствии горных работ массив находится в состоянии напряженного равновесия. Физические процессы, происходящие в недрах при производстве горных работ, в том числе и при разработке 
месторождений, распространяются далеко в породы подстилающей 
толщи и особенно в породы покрывающей толщи, достигая часто 
земной поверхности.
При ведении горных работ ранее существующее равновесие нарушается. В массиве горных пород, окружающих горную выработку, 
происходят перераспределение и изменения напряжений.
В боках выработки сжимающие вертикальные напряжения увеличиваются по сравнению с напряжениями в нетронутом массиве. 
В результате концентрации напряжений горные породы вокруг выработки деформируются.
В крепких монолитных породах напряжения не превышают предел упругости данной породы и такие обнажения не требуют искусственного крепления.
Если напряжения превышают предел упругости данной породы, 
то обнажения становится неустойчивыми, поэтому необходимо принимать меры против развития этих деформаций. Для поддержания 
выработок в этом случае необходимо возводить горную крепь. Она 
препятствует развитию деформаций в породах вокруг горной выработки, воспринимая на себя давление горных пород.

2. ПОНЯТИЕ О ГОРНОМ ДАВЛЕНИИ
И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ВЕЛИЧИНЫ 
В ВЫРАБОТКАХ

Горное давление – силы, возникающие в массиве, окружающем 
горную выработку.
Горное давление вокруг выработок связано с перераспределением напряжений при их проведении и зависит от геологических факторов (глубина разработок, физико-механические свойства горных 
пород, мощность и угол падения получаемых ископаемых) и горнотехнических условий эксплуатации (форма, размеры, механическая 
характеристика крепи, скорость подвигания и время поддержания 
выработки). 
В зависимости от этого горные выработки ведут себя по-разному. 
Нередко горные выработки существуют без крепи неопределенно 
долгое время и сохраняют свои формы и размеры не только десятки, 
но и сотни лет. До нашего времени существуют горные выработки, 
пройденные много тысяч лет назад, еще в эпоху неолита. Многочисленные естественные пещеры существуют десятки миллионов лет. 
Наряду с этим горные выработки часто теряют свою устойчивость 
вскоре после их проведения, срок их существования может определяться неделями и месяцами, иногда они могут нормально функционировать более или менее длительный период, деформируются 
весьма быстро.
Горное давление преобладает в виде различного рода сдвижений, деформаций и разрушений вмещающих пород и добываемого 
ископаемого. Окружающие горную выработку породы имеют ограниченную способность и могут деформироваться без разрушения в 
определенных пределах. Поэтому следствием сформировавшегося в 
результате проведения выработки нового напряженно-деформированного состояния могут быть процессы разрушения горных пород, 
что в свою очередь вызывает увеличение смещений породного контура. Таким образом, образование в породном массиве частично или 
полностью разрушенных областей пород является одной из форм 
проявления горного давления. На рис. 2.1 приведен пример, когда 
установленная крепь не выполняет свои функции и горная выработка оказывается полностью разрушенной. 

Рис. 2.1. Внешний вид разрушенной горной выработки

Существует несколько гипотез действия горного давления на 
крепь горных выработок. Одной из них является гипотеза свода обрушения, сформулированная проф. М.М. Протодьяконовым. По 
этой гипотезе в породах над горизонтальной выработкой образуется 
свод естественного равновесия в форме параболы, который воспринимает давление вышележащих пород, на крепь же оказывает влияние лишь порода, заключенная внутри свода (рис. 2.2).
Высота свода определяется по формуле

 
b
a f
=
, 
(2.1)

где a – половина ширины выработки в проходке, м;
f – коэффициент крепости пород по шкале Протодьяконова.

Для выработок со сроком службы более одного года Протодьяконов рекомендовал высоту свода определять по формуле

 
2
b
a f
=
. 
(2.2)

Рис. 2.2. Схема к определению горного давления на горизонтальную выработку

Вертикальное горное давление (рв) равно массе породы, заключенной в своде, и определяется по формулам
• на 1 м длины выработки 

 

2
к
в
4
3
a
p
f
γ
=
, 
(2.3)

• на одну крепежную раму

 

2
к
в
4
3
a
p
l
f
γ
¢ =
, 
(2.4)

где γк – плотность пород кровли, т/м3;
l – расстояние между крепежными рамами, м.

При сроке службы выработки более одного года давление на 1 м 
длины выработки

 

2
к
в
8
3
a
p
f
γ
=
. 
(2.5)

Как показывают многочисленные исследования, статистическая 
нагрузка на крепь и ее реакция связаны с ее податливостью, и в строгой постановке усилия в элементах крепи должны определяться в результате взаимодействия сложной механической системы «вмещающие породы – крепь».

Реальные крепи, применяемые в промышленности, имеют различные силовые эксплуатационно-технические характеристики. Задача усложняется еще и тем, что контуры сечений горных выработок при их проходке буровзрывным и даже комбайновым способом 
имеют ярко выраженные неровности, которые затрудняют возможность плотного, без зазоров, прилегания элементов крепи к породам. Практически крепь взаимодействует с вмещающей породой 
всего в нескольких точках – в месте расклинки, забутовки рам крепи 
и в опорах. Лишь монолитная бетонная в вертикальных и набрызгбетонная в горизонтальных выработках крепи взаимодействуют с 
вмещающими породами по всему периметру. Поэтому в строгой постановке задача определения нагрузки на крепь горных выработок 
на основе ее взаимодействия с вмещающими породами, которые в 
свою очередь обладают весьма различными физико-механическими свойствами, далека от практического разрешения. К настоящему времени предложено более 25 формул для расчета высоты свода, 
учитывающих те или иные горные факторы. Форму свода принимают в основном параболического и эллиптического очертаний или 
близких к ним.
Описанная выше модификация теории свода основывалась на гипотезе формирования свода и получила наибольшее практическое 
развитие в трудах Протодьяконова. Одной из предпосылок этой теории являлось равенство нулю горизонтальных напряжений в нетронутом массиве. Это предпосылка была снята проф. А.П. Широковым, что позволило обобщить теорию Протодьяконова и для случая 
действия горизонтальных сжимающих напряжений.
Величина отжима горных пород зависит от соотношения Rотж =
= γH/σcж и может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Отрицательные значения соответствуют состоянию, 
когда сжимающие напряжения в боках выработки меньше прочности пород на сжатие. И наоборот, при положительных значениях породы под опорами свода деформируются и разрушаются, а сами опоры перемещаются в глубь массива.
Для выработок (рис. 2.3, а) прямоугольной и трапециевидной 
форм с плоским контуром кровли высота свода

 
(
) (
)
к
к
b
a
c
R f
=
+
, 
(2.6)

где с – зона разрушенных пород в приконтурной зоне;

Rк – коэффициент снижения прочности массива горных пород;
fк – коэффициент крепости образца пород кровли по шкале 
Протодьяконова.

Для выработок сводчатой и арочной форм (рис. 2.3, б) по сравнению с выработками с плоской кровлей расчетная высота свода обрушения должна быть уменьшена, так как часть пород в возможном 
своде обрушения (породы выше уровня пяты свода) фактически извлекается при проведении выработки. Таким образом, высота возможного свода обрушения в выработках арочной и сводчатой форм 
составляет

 
c
а
к
к
4
a
c
b
h
k f
a
δ
æ
ö
+
÷
ç
=
÷
ç
÷÷
çè
ø
, 
(2.7)

 
отж
c
c
отж
1
tg 45
2
R
H
b
h
γ
ρ
σ

æ
ö
æ
ö
÷
ç
÷
ç
÷
=
ç
÷
ç
÷
÷
ç
÷
ç
÷
ç
è
ø
è
ø
, 
(2.8)

где 
c
1
4
h
h
a
δ
é
ù
ê
ú
=
ê
ú
ë
û
 – высота выработки арочной формы, формирую
 
щая свод обрушения;
δ – стрела подъема контура кровли выработки;
ρ – угол между бортом выработки и почвой.

Расчетная нагрузка на крепь со стороны кровли протяженной 
подготовительной выработки 

 
к
к
2
ab
ρ
γ
=
. 
(2.9)

Давление с боков выработки возникает при условии с > 0, т.е. при 
отжиме и обрушении массива пород в боках выработок.
Исходя из принципа расчета давления на подпорные стенки в 
строительной механике, боковая расчетная нагрузка на крепь горизонтальных выработок

 
к
б
б
б

90
tg
,
2
2
с
с
b
γ
ρ
ρ
γ
γ

ì
æ
ö
ï
- ÷
ï
ç
÷
=
+
ç
í
÷
ç
÷
ï
çè
ø
ïî
 при 
90
tg
,
2
с
h
ρ
£ ⋅
 
(2.10)

 
2
к
б
б
б

90
tg
,
2
2
h
с
b
γ
ρ
ρ
γ
γ

ì
æ
ö
ï
÷
ï
ç
÷
=
+
ç
í
÷
ç
÷
ï
çè
ø
ïî
 при 
90
tg
2
с
h
ρ
³ ⋅
 
(2.11)

где γк, γб – плотность пород соответственно кровли и боковых пород 
(угля), т/м3.