|
Міністерство освіти і науки України
Національний гірничий університет
лозовський Сергій Петрович
УДК 622.261.2
ОБҐРУНТУВАННЯ параметрів способу підвищення
стійкості підготовчих виробок з підошвою,
що здимається, у зоні впливу очисних робіт
Спеціальність 05.15.04 – “Шахтне та підземне будівництво”
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ – 2004Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі будівельних геотехнологій і геомеханіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м.Дніпропетровськ)
Науковий керівник доктор технічних наук, доцент
Сдвижкова Олена Олександрівна,
професор кафедри вищої математики Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Бондаренко Володимир Ілліч,
завідувач кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)
кандидат технічних наук
Кужель Сергій Вікторович,
генеральний директор Державного підприємства “Добропіллявугілля” Міністерства палива та енергетики України (м. Добропілля)
Провідна установа Донбаський державний технічний університет (м.Алчевськ) Міністерства освіти і науки України, кафедра будівельних геотехнологій і гірничих споруд
Захист відбудеться “_28_” січня 2005 р. о __1200__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, Україна, м.Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19)
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19).
Автореферат розісланий “_28_” грудня 2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради О.В.Солодянкін
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Для успішного вирішення проблеми підземного вуглевидобутку необхідна ритмічна безвідмовна робота вугільних шахт, важливим структурним елементом яких є підготовча виробка. Завдяки високому ступеню неоднорідності породного масиву, забезпечення надійного функціонування підготовчих виробок при відносно невеликих витратах на їх спорудження і підтримку являє собою складну науково-технічну задачу.
Перехід в останні роки на відпрацьовування пластів у більш важких гірничо-геологічних умовах (у зв'язку зі збільшенням глибини гірничих робіт, введенням у роботу лав на пластах зі слабкими підошвами і покрівлями, що важко обвалюються) призвів до погіршення стану гірничих виробок в зоні впливу очисних робіт і до необхідності пошуку нових організаційних і технічних рішень. Особливо актуальна ця задача у зоні впливу очисних робіт, оскільки нормальні умови роботи комплексно-механізованих вугільних вибоїв можливі тільки за умови забезпечення надійного експлуатаційного стану підготовчих гірничих виробок.
Досвід роботи шахт Донецького регіону показує, що існуючі способи охорони та підтримки підготовчих виробок далеко не завжди дозволяють вирішити задачу забезпечення необхідної експлуатаційної стійкості виробок у конкретних гірничо-геологічних умовах.
Прикладом цьому є шахта “Комсомолець Донбасу”, для якої в зв'язку зі збільшенням глибини розробки дуже серйозною стає проблема здимання порід підошви в підготовчих виробках. Способи охорони, що існують на сьогоднішній день, неефективні. Тому розробка нових способів охорони та підтримки виробок у гірничо-геологічних умовах, які постійно змінюються, обґрунтування параметрів цих способів на основі вивчення закономірностей взаємодії системи “виробка-порідний масив” з урахуванням таких складних процесів, як здимання порід підошви, є актуальною задачею, що має важливе наукове і практичне значення, вирішенню якої і присвячена дисертація.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконані відповідно до тематичного плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України відповідно до пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології” по держбюджетній тематиці ГП-290 (№ держреєстрації 0102U003022) у Національному гірничому університеті.
Метою досліджень є розробка способу підвищення стійкості підготовчих виробок з підошвою, що здимається, в зоні впливу очисних робіт в умовах вугільних шахт з пластами, які залягають положисто, та обґрунтування параметрів цього способу.
Основна ідея полягає у використанні комплексу технічних засобів охорони та підтримки підготовчих виробок вугільних шахт, проведених у породах, що здимаються, для підвищення стійкості виробок у зоні впливу очисних робіт.
Об'єктом досліджень є стійкість підготовчих виробок вугільних шахт із підошвами, що здимаються, які проведені в неоднорідному породному масиві в зоні впливу очисних робіт.
Предметом досліджень є параметри способу охорони і підтримки підготовчих виробок із підошвами, що здимаються.
Основні задачі дослідження включають:
– вибір об'єкта досліджень;
– візуальні спостереження і шахтні виміри проявів гірського тиску в підготовчих виробках шахти “Комсомолець Донбасу”;
– вивчення закономірностей деформування неоднорідного породного масиву навколо підготовчих виробок і в покрівлі лави;
– виявлення закономірностей зміни напружено-деформованого стану приконтурного масиву підготовчої виробки при використанні нового способу охорони і підтримки;
– визначення раціональних параметрів нового способу охорони і підтримки підготовчої виробки в конкретних гірничо-геологічних умовах.
Методи досліджень. Методичну основу досліджень складає комплексний підхід, що включає аналіз і узагальнення літературних даних по темі дисертації, шахтні візуальні та інструментальні спостереження, математичне моделювання з застосуванням методу скінчених елементів, фізичне моделювання на моделях з еквівалентних матеріалів, проведення експериментальних випробувань у натурних умовах.
Основні наукові положення, що захищаються в дисертації:
– кероване обвалення порід покрівлі в лаві в умовах шахт з пластами, які залягають положисто, викликає хвилеподібне руйнування кріплення уздовж примикаючої підготовчої виробки та відповідне підняття підошви з періодичністю, яка співпадає з кроком обвалення, що дозволяє цілеспрямовано регулювати відстань між рамами кріплення, зменшуючи її в місцях концентрації гірського тиску.
- стійкість підготовчих виробок в умовах положистих пластів і порід підошви, що здимаються, забезпечується шляхом застосування комбінованого геомеханічного способу управління гірським тиском і оцінюється величиною вертикальної конвергенції, яка нелінійно залежить від параметрів способа: кількості і кута встановлення анкерів, довжини розкіски, відстані між шпурами камуфлетних зарядів, що дозволяє використовувати запропоновану методику в різноманітних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умовах вугільних шахт.
Наукова новизна отриманих результатів:
– вперше для умов шахти “Комсомолець Донбасу” виявлені періодичність та хвильовий характер підняття підошви і руйнування кріплення підготовчих виробок, встановлені параметри цього процесу та його обумовленість періодичними посадками основної покрівлі;
– розроблені нові розрахункові схеми та алгоритм чисельного моделювання процесів, що сприяють розвантаженню приконтурного масиву та запобігають здиманню порід підошви: формування розкіски, розміцнення вугільного пласту за допомогою підриву камуфлетних зарядів, зміцнення порід покрівлі за допомогою анкерного кріплення;
– вперше встановлені закономірності зміни напружено-деформованого стану приконтурного масиву при здійсненні комплексу послідовних заходів щодо розвантаження області породного масиву, на яку найбільш впливає опорний тиск, що дозволило для умов шахт “Комсомолець Донбасу” розробити новий спосіб охорони підготовчих виробок (Пат. 69235 А Україна, МПК Е 21 D 13/02, Е 21 С 41/16. Заявл. 18.12.03; Опубл. 16.08.04; Бюл. №8).
Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей зміни напружено-деформованого стану приконтурного масиву при використанні нового комплексного способу охорони та підтримки підготовчих виробок із підошвами, що здимаються, в умовах відпрацьовування положистих вугільних пластів.
Практичне значення роботи складається в обґрунтуванні параметрів ресурсозберігаючого способу охорони та підтримки підготовчих виробок і розробці рекомендацій з їх застосування на шахті “Комсомолець Донбасу” у зоні впливу очисних робіт.
Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням фундаментальних положень механіки суцільного середовища, апробованих методів математичного та фізичного моделювання породного середовища, задовільною (до 15%) збіжністю результатів аналітичних і натурних досліджень відносно зміщень контурів підготовчих виробок.
Реалізація роботи в промисловості. Результати досліджень використані на шахті “Комсомолець Донбасу” при підтримці конвейєрного штреку 7-ої південної лави пласту l4 горизонту 418 м.
Особистий внесок автора полягає у формулюванні мети, задач досліджень, наукових положень, у розробці методики досліджень, в аналізі результатів лабораторних і теоретичних досліджень, розробці рекомендацій з вибору параметрів способу охорони і підтримки підготовчих виробок у зоні впливу лави і впровадження результатів досліджень на шахті.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи докладені, обговорені і схвалені на засіданні науково-технічної ради шахти “Комсомолець Донбасу”, на засіданнях кафедри будівельних геотехнологій і геомеханіки НГУ (2002-2004 р.р.), на міжнародній конференції “Форум гірників – 2003” (м. Дніпропетровськ, НГУ), на міжнародній конференції “Неделя горняка – 2003” (м. Москва, МГГУ, Росія), на засіданні республіканської науково-практичної школи-семінару (м. Донецьк, 2003 р.), на науково-технічній конференції “Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений” (м. Донецьк, 2004 р.), на міжнародній науково-технічній конференції “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (м. Кривий Ріг, 2004 р.) та на міжнародній конференції “Форум гірників – 2004” (м. Ялта, 2004 р.).
Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 11 наукових праць, у тому числі 7 у спеціалізованих виданнях, 3 у збірниках матеріалів науково-технічних конференцій та 1 патент.
Структура й обсяг. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновку, списку використаних джерел з 78 найменувань і додатків. Вона містить 104 сторінки машинописного тексту, 71 рисунок і 7 таблиць. Загальний обсяг дисертації складає 151 сторінку.
Основний зміст роботи
Важливим чинником, що визначає стан вугільної промисловості країни і перспективи її подальшого розвитку, є питання забезпечення експлуатаційного стану гірничих виробок протягом всього терміну їх цільового використання. Складність підтримки й охорони виробок збільшується із зростанням глибини розробки, яка в певних гірничо-геологічних умовах викликає здимання порід підошви.
Аналіз схем підтримки підготовчих виробок дозволив виділити вісім груп гірничо-геологічних умов, для яких визначені найраціональніші способи охорони вентиляційних та відкаточних штреків для вугільних пластів пологого й похилого залягання з позицій геомеханіки, їх метаноємкості та ендогенної пожежонебезпечності.
Проте, досвід роботи шахти “Комсомолець Донбасу” показує, що існуючі способи охорони та підтримки підготовчих виробок не дозволяють вирішити задачу сталого забезпечення експлуатаційної стійкості виробок в конкретних гірничо-геологічних умовах.
Встановлено, що основна причина трудомістких ремонтних робіт криється в наявності здимання порід підошви, невідповідності несучої здатності кріплення та недостатньо ефективних способах охорони виробок.
Візуальне обстеження стану виробок й інструментальні вимірювання проводилися в конвейєрному штреку 7-ої південної лави пласту l4, в конвейєрному штреку 5-ої західної лави пласту l4, у повітряноподаючому штреку 6-ої південної лави пласту l4, у повітряноподаючому штреку 4-ої західної лави пласту l4 шахти “Комсомолець Донбасу”. В процесі визначалися найхарактерніші види руйнувань і деформацій елементів кріплення, зсуви контуру виробок, а також показник стійкості виробок, що дорівнює
 ,
де L і Lp – відповідно довжина обстежуваної ділянки (приймалася 5 м) і довжина ділянки із зруйнованим кріпленням;
N і Np – відповідно загальна кількість арок кріплення на ділянці та кількість зруйнованих арок.
Результати досліджень в конвейєрному штреку 7-ої південної лави пласту l4 наведені на рис. 1.
Встановлено, що охорона та підтримка виробок в зоні впливу очисних робіт типовим арочним кріпленням в умовах шахти “Комсомолець Донбасу” не забезпечує достатню їх стійкість.
На деяких ділянках уздовж виробки показник стійкості зменшується до величини щ = 0,1, причому зниження цієї величини відбувається з деякою періодичністю.
Такий же хвильовий характер мають зміщення порід підошви й деформації елементів кріплення. Наростання інтенсивності деформацій відбувається з періодичністю 35...40 м. При цьому максимальна величина зміщення підошви підготовчої виробки сягає 0,5 м. Гіпотетично, хвилеподібне зростання інтенсивності деформацій кріплення підготовчої виробки пов'язано з обваленням порід покрівлі в примикаючій лаві. Застосований на шахті спосіб охорони – встановлення ремонтин – не запобігає деформаціям кріплення й не забезпечує експлуатаційну стійкість виробок.
Рис. 1. Зміна величини підняття підошви (1) і показника стійкості (2) уздовж виробки
На основі узагальнення накопиченого досвіду експлуатації підготовчих виробок в умовах здимання порід підошви, вивчення різних гіпотез формування опорного тиску в лаві, гіпотез про можливий механізм здимання, а також на основі аналізу найефективніших способів охорони та підтримки виробок в зоні впливу очисних робіт був запропонований новий комплексний спосіб підвищення стійкості підготовчих виробок з підошвою, що здимається. Він полягає в тому, що при проведенні виробки формують розкіску, арочне кріплення підсилюють шляхом встановлення анкерів, а перед відпрацьовуванням лави встановлюють пластичну огорожу з боку масиву і з боку лави шляхом підрива камуфлетних зарядів поза зоною опорного гірського тиску. Після відпрацювання лави розкіску заповнюють породами від підривки підошви виробки.
Для обґрунтування ефективності та визначення параметрів цього способу, а також вивчення поведінки порідного масиву навколо сполучення “лава-штрек” виконані дослідження на моделях з еквівалентних матеріалів. З урахуванням геометричних і фізичних критеріїв подібності підібраний еквівалентний матеріал на основі пісчано-парафіно-графітної суміші. Масштаб моделювання прийнятий рівним 1:50. Моделювалося шарувате середовище, яке відтворювало гірничо-геологічні умови пласту  шахти “Комсомолець Донбасу”.
Досліджувалися 7 основних ситуацій:
1. Підготовча виробка в масиві, що закріплена арочним податливим кріпленням, без урахування впливу лави.
2. Та ж підготовча виробка, але що сполучається з лавою.
3. Підготовча виробка, яка закріплена арочним податливим кріпленням з посиленням по центру та сполучається з лавою (стандартний спосіб охорони, який використовують на шахті “Комсомолець Донбасу”).
4. Підготовча виробка, яка закріплена арочним податливим кріпленням та сполучається з лавою, при цьому в боках підготовчої виробки виконується заздалегідь камуфлетне висадження.
5. Підготовча виробка, яка закріплена арочним податливим кріпленням та сполучається з лавою, з розкіскою зі сторони незайманого масиву і попереднім камуфлетним висадженням в боках підготовчої виробки.
6. Те ж саме, але додається анкер з боку лави.
7. Те ж саме, але з встановленням анкерів з двох сторін.
За результатами досліджень побудована залежність зміни величини вертикальної та горизонтальної конвергенції залежно від даної ситуації (рис.2). Встановлено, що розпушування порід в боках виробки від камуфлетного висадження (ситуація 4) зменшує горизонтальну конвергенцію на 20 %, а вертикальну на 11 % в порівнянні з існуючим способом охорони (ситуація 3).
Рис. 2. Величина горизонтальної 1 та вертикальної 2 конвергенції при навантаженні 45 кг (Hг)
Встановлення анкерів, що жорстко зв'язані з аркою, з боку лави і з боку масиву (ситуація 7) зменшує величину і горизонтальної і вертикальної конвергенції у виробці на 30 %, а конвергенцію в розкісці – на 65 %. Таким чином, результати фізичного моделювання підтвердили ефективність запропонованих елементів охорони виробки.
Результати фізичного моделювання уточнювалися шляхом математичного моделювання процесів, що протікають навколо підготовчої виробки.
Вище згадувалося, що в результаті натурних спостережень відзначено хвильовий характер зростання інтенсивності деформацій, який, гіпотетично, обумовлений періодичними посадками покрівлі. Тому в роботі досліджувався вплив обвалення покрівлі на деформації порід в підошві пласта.
За методикою, що запропонована Хозяйкіною Н.В., методом скінчених елементів визначалися зміни напружено-деформованого стану (НДС) масиву навколо очисної виробки в процесі посування очисного вибою. Розглядалася послідовність розрахункових схем, кожна з яких відповідає різним положенням очисного вибою.
Розрахункові схеми включають шари різної жорсткості, відповідно стратиграфічній колонці, зону обвалення порід й очисну виробку, розміри якої послідовно збільшувалися протягом 10 етапів розрахунку.
На кожному етапі НДС масиву оцінювався відповідно до феноменологічного критерію міцності, що запропонований Л.Я. Парчевським і О.М. Шашенком:
 , (1)
де  – головні напруження ,  (Rp, Rс – межа міцності порід на розтягування й стиснення відповідно).
Дослідження показали, що із збільшенням розмірів оголення зона руйнування формується не тільки в покрівлі над відпрацьованим простором, але і охоплює значну частину підошви очисної виробки. Характерним є те, що і в покрівлі, і в підошві виробки мають місце розтягуючі нормальні напруження, причому сукупність точок середовища, в яких розтягуючі напруження перевершують межу міцності на розтягування, є областю параболічного обрису. Із збільшенням розміру очисної виробки зони руйнування за критерієм Парчевського-Шашенко і область розтягуючих напружень стають близькі і за формою, і за розмірами.
Згідно розрахункам, що виконані для гірничо-геологічних умов шахти “Комсомолець Донбасу”, ці області співпадають одна з одною при формуванні очисної порожнини розміром 40 м. А за даними натурних спостережень саме з такою періодичністю (35...40 м) відбувається обвалення основної покрівлі. Цьому моменту за розрахунками відповідають найбільші зміщення підошви під дією розтягуючих напружень.
Таким чином, встановлено, що процес здимання порід підошви у відпрацьованому просторі лави носить циклічний характер, який визначається кроком посадки основної покрівлі. Очевидно, що така ж циклічність спостерігається і в підошві підготовчої виробки, причому процес цей носить найінтенсивніший характер на сполученні лави зі штреком.
Далі досліджувався напружено-деформований стан приконтурного масиву на сполученні “лава-штрек” і визначалися найраціональніші параметри нового комплексного способу охорони підготовчої виробки.
Дослідження процесу переміщення порід підошви підготовчої виробки виконувалося методом скінчених елементів з урахуванням пластичних деформацій і можливого розміцнення матеріалу.
Облік позамежної частини діаграми стиснення виконувався за допомогою ітераційної процедури “січних модулів”, відповідно до якої в ролі умовних пружних констант використовуються характеристики позамежної деформації реальних кривих “напруження-деформація”.
На основі вибраної деформаційної моделі середовища розроблені розрахункові схеми, в яких імітувалися 7 різних ситуацій, таких самих як і при моделюванні на еквівалентних матеріалах.
В рамках методу скінчених елементів послідовно моделювалися відпрацьований простір лави, додаткові зусилля, що виникають при встановленні ремонтин, переущільнення порід внаслідок підрива камуфлетних зарядів, утворення додаткової порожнини, що імітує розкіску. Шляхом використання спеціальних елементів моделювалася наявність сталеполімерних анкерів, розташованих під різним кутом до горизонталі.
На рис. 3 для прикладу приведена розрахункова схема для моделювання ситуації, коли здійснений повний комплекс охорони виробки: камуфлетне висадження, утворення розкіски, встановлення анкерів.
| 
