Обґрунтування впливу суміщених зон підвищеного гірничого тиску на стійкість підготовчих виробок глибоких шахт

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донецький національний технічний університет

УДК 622.831.3: 622.261.2

Обгрунтування впливу суміщених зон підвищеного гірничого тиску на стійкість підготовчих виробок глибоких шахт

Спеціальність 05.15.02 - "Підземна розробка родовищ корисних копалин"

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Князьков Олег Володимирович

Донецьк 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донбаському державному технічному університеті

Захист відбудеться "10" березня 2006 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 при Донецькому національному технічному університеті за адресою 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 1-ий навчальний корпус, аудиторія 1.201.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2-ий навчальний корпус.

Автореферат розісланий"7" лютого 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 доктор технічних наук, професор В.П. Кондрахін

АНОТАЦІЯ

Князьков О.В. Обґрунтовування впливу суміщених зон підвищеного гірничого тиску на стійкість підготовчих виробок глибоких шахт. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02. - Підземна розробка родовищ корисних копалин. -Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2006.

Запропонований структурно-міцнісний критерій, що характеризує механічні властивості масиву й відображає в межах зони повних зсовувань різноспрямовану міцність почергових породних шарів різної потужності. З його врахуванням одержана емпірична експоненціальна залежність зміни максимальних осідань порід у межах глибини розробки. Визначені величини активної частини ширини виробленого простору й зона розвантаження в межах крайової частини вугільного пласта. Вплив суміщеної зони підвищеного гірничого тиску над виступною кутовою частиною пласта в 1,2 - 2 рази більше, ніж за її межами. Шахтними дослідженнями й моделюванням установлено, що за збільшенням приросту коефіцієнта концентрації напружень в суміщеній зоні підвищеного гірничого тиску на 0,1 висота виробки в середньому зменшується на 0,06м. Для забезпечення стійкості виробки запропоновано збільшувати їх переріз на 25 і 50% за приросту коефіцієнтів концентрації напружень відповідно менш і більш 1,3. Від упровадження рекомендацій у виробці, яка підлягає прояву суміщеної зони підвищеного гірничого тиску на ділянці завдовжки 180м в умовах шахти "Червоний партизан", економічний ефект становив 217 тис. грн.

Ключові слова: шахта, шаруватий масив, гірничий тиск, математичне моделювання, зсув, підготовча виробка, стійкість.

АННОТАЦИЯ

Князьков О.В. Обоснование влияния совмещенных зон повышенного горного давления на устойчивость подготовительных выработок глубоких шахт. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02. - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых.-Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2006.

Диссертация посвящена актуальной научно-технической задаче, заключающейся в прогнозировании проявлений совмещенных зон повышенного горного давления и их влияния на устойчивость подготовительных выработок глубоких антрацитовых шахт.

Проведен анализ исследований по вопросу формирования зон повышенного горного давления, включая и совмещенные от угловой части угольного массива, математических методов определения напряженно-деформируемого состояния угленосного массива в этих зонах.

Для механических свойств угленосного массива предложен структурно-прочностной критерий, отражающий в пределах зоны полных сдвижений разнонаправленную прочность чередующихся породных слоев различной мощности, и изменяется в условиях антрацитовых шахт от 0,5 до 0,8. С учетом этого критерия получена эмпирическая зависимость изменения максимальных оседаний пород в пределах глубины разработки с удалением от пласта. Моделированием методом конечных элементов установлены ожидаемые расчетные величины активной части ширины выработанного пространства, влияющей на параметры зон повышенного горного давления, включая и разгрузки, в пределах краевой части угольного пласта. Влияние совмещенной зоны повышенного горного давления, образующейся от взаимоперпендикулярных кромок угольного массива, распространяется на 130м в его кровлю и почву. Значения максимальных расчетных сжимающих напряжений над выступающей угловой частью пласта в 1,2 - 2 раза больше, чем над прямолинейной его частью, вне влияния совмещенной зоны повышенного горного давления. С удалением в кровлю и почву пласта эти напряжения по величине отличаются незначительно, что объясняется различным их положением по глубине разработки. Проведенными шахтными исследованиями контурных смещений подготовительных выработок, проводимых в массиве и вслед за лавой, подверженных влиянию проявлений совмещенных зон повышенного горного давления от выступающей угловой части пласта, установлено, что при увеличении приращения коэффициента концентрации напряжений на 0,1 потеря высоты составляет 0,06м. Это в последствии приводит к потере их устойчивости. Для обеспечения удовлетворительного эксплуатационного состояния этих выработок предложено увеличивать их площадь поперечного сечения на 25 и 50% соответственно при приращении коэффициентов концентрации напряжений менее и более 1,3. От внедрения рекомендаций в выработке на участке длиной 180м, подверженного проявлению совмещенной зоны повышенного горного давления от выступающей угловой части угольного пласта k'5 в условиях шахты "Красный партизан", экономический эффект составил 217 тыс. грн.

Ключевые слова: шахта, слоистый массив, горное давление, математическое моделирование, смещение, подготовительная выработка, устойчивость.

ANNOTATION

O.V. Knyzkov. Substantiation of coincident zones of heightened mining pressure influence on of preparatory dup mine working. - Manuscript.

Doctoral thesis in specialty 05.15.02. - Underground exploitation of fossil deposits. - Donetsk National Technical University. Donetsk. 2006.

Structural criterion characterizing mechanical properties of the massif б reflecting total firmness of alternating rock layers of different thickness within the zones of total faulting is offered. Taking it into account empirical dependence on changes of maximum subsidence of rocks within the depth of exploitation was obtained. The size of active part of the width of the area worker out б the zone of relieving within the extreme part of coal strata was determined. The impact of the coincident zone of heightened mining pressure over salient corner part of the stratum is 1,2-2 times greater than beyond its bounds. Mining researches б modeling determined that with the increment of the concentration coefficient of tension in coincident zone of heightened mining pressure increase by 0,1 the average height of mine-working decreases by 0,06m. To secure the stability of mine-working it was offered to increase their cutting by 25 б 50 per cent when the increment of tension concentration coefficient is accordingly less б more than 1,3. Because of the introduction of recommendations in mine-working liable to the display of coincident zone of heightened mining pressure on the area 180m long in the conditions the mine "Krasny Partizan", economic effect amounted to 217,000 hrn.

Key words: mine, stratified massif, mining pressure, mathematical modeling, upheaval, preparatory mine working, steadiness.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення ефективності видобутку вугілля на шахтах Українського Донбасу супроводиться безперервним збільшенням глибини розробки, що пов'язано з проблемою забезпечення стійкості виробок.

На антрацитових шахтах у наш час питома вага виробок, розташованих на глибині понад 700м, по окремих державних підприємствах становить від 62 до 77%. Приблизно чверть антрацитових шахт розробляють зближені пласти. При цьому залишаються крайові їхні частини й цілики з різними контурами, навколо яких утворюються зони підвищеного гірничого тиску, на процес їхнього формування істотно впливає зсув порід у підроблюваній товщі. Із збільшенням глибини розробки й розвитком очисних робіт вплив цих зон, особливо в місцях їхнього суміщення, на стійкість виробок зростає. Щорічно впливу суміщених зон підвищеного гірничого тиску піддаються 2-13 ділянок підготовчих виробок загальною протяжністю 240-2300м. Проте питання ступеня впливу суміщених зон підвищеного гірничого тиску на стан виробок не вивчено. У зв'язку з цим виникає необхідність проведення досліджень щодо встановлення параметрів проявів підвищеного гірничого тиску в суміщених зонах і їхні дії на стійкість підготовчих виробок для пошуку раціональних технічних рішень для підтримування їх у задовільному стані. Це визначає актуальність теми дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Ця робота виконана відповідно до тематичних планів за одним з наукових напрямів ДонДТУ в межах держбюджетної (№ держ. реєстрації 0101U003562) й госпдоговірної (№ держ. реєстрації 0104U005183) науково - дослідних тем, у яких автор був виконавцем.

Мета і задачі досліджень. Мета полягає в обґрунтовуванні впливу суміщених зон підвищеного гірничого тиску на стійкість підготовчих виробок антрацитових шахт.

Для досягнення поставленої мети сформульовані й вирішені задачі:

1. Установити закономірність зміни максимального осідання підроблюваних породних шарів з урахуванням їхніх структурно-механічних властивостей.

2. Визначити ширину активної частини виробленого простору, що впливає на формування зон підвищеного гірничого тиску, величину й область поширення напруження навколо вступної кутової частини пласта.

3. Провести шахтні інструментальні спостереження за особливостями проявів гірничого тиску в підготовчих виробках, розташованих у суміщених зонах підвищеного гірничого тиску.

4. Розробити й упровадити рекомендації щодо забезпечення стійкості підготовчих виробок в суміщених зонах підвищеного гірничого тиску, визначити їх ефективність.

Об'єктом дослідження є підтримувана в суміщеній зоні підвищеного гірничого тиску підземна виробка глибокої антрацитової шахти.

Предмет дослідження - прояви підвищеного гірничого тиску в суміщеній зоні, утвореної навколо залишеної виступної кутової частини вугільного пласта.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети в роботі використовувалися: математична статистика, моделювання напружено-деформованого стану породної товщі методом кінцевих елементів, натурні інструментальні спостереження за осіданням земної поверхні й контурними зсувами порід у підземних виробках.

Наукова новизна отриманих результатів:

Установлена емпірична залежність, яка дозволяє визначити максимальне осідання порід у підроблюваній вугленосній товщі, що відрізняється комплексним урахуванням гірничо-технологічних і структурно-механічних характеристик масиву.

Уперше математичним моделюванням встановлено, що область впливу суміщеної зони підвищеного гірничого тиску навколо виступної кутової частини пласта обмежена складною опуклою поверхнею, яка поширюється від неї в покрівлю та підошву пласта на відстань сумірну з довжиною лави (за потужності пласта 1м та довжини лави 200м вплив суміщеної зони поширюється на відстань 130м). У цій зоні величина дієвих стискальних напружень в 1,2-2 рази більша, ніж над прямолінійною частиною вугільного пласта за межами суміщеної зони.

Уперше експериментально встановлено, що приріст коефіцієнта концентрації напружень на 0,1 одиниці в межах суміщеної зони підвищеного гірничого тиску, в умовах антрацитових пластів, призводить до зменшення висоти підготовчої виробки в середньому на 0,06м.

Практичне значення роботи полягає в розробленні й реалізації рекомендацій щодо визначення параметрів суміщеної зони підвищеного гірничого тиску, які дозволяють обґрунтовано приймати технічні рішення для забезпечення стійкості розташованих у ній виробок.

Основні результати наукових досліджень використані:

- державними підприємствами "Ровенькиантрацит" і "Свердловантрацит" під час прогнозування ступеня впливу суміщених зон підвищеного гірничого тиску й розроблення технологічних заходів для збереження в задовільному стані підготовчих виробок, що знаходяться в них;

- Донбаським державним технічним університетом під час виконання науково-дослідних робіт і в навчальному процесі.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, висновки і положення дисертаційної роботи отримані автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи обговорювалися й отримали схвалення на: науково - технічних конференціях ДонДТУ (Алчевськ, 2000-2005 рр., Свердловськ, Луганська обл., 2002); міжнародних науково-практичних конференціях "Уголь-mining technologies - 2003" (Луганськ, 2003); кафедри "Будівництво шахт і підземних споруд" ДонНТУ (Донецьк, 2003, 2004 рр.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 наукових робіт у спеціалізованих виданнях, рекомендованих ВАК України. Отримано один декларативний патент на винахід. Опубліковано без співавторів одну роботу.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів і висновку, викладених на 106 стор. машинописного тексту, містить 39 рисунків, 8 таблиць, перелік посилань із 109 найменувань і 5 додатків на 13 сторінках; загальний обсяг роботи - 129 сторінок.

Автор глибоко вдячний к. т. н., доц. П.М. Кир'язєву, к. т. н., доц.. Г.О. Аверіну за надану науково-методичну допомогу, співробітникам кафедри "Розробка родовищ корисних копалин" Донбаського державного технічного університету й інженерно-технічним працівникам ДП "Ровенькиантрацит" і "Свердловантрацит" за практичну допомогу під час проведення шахтних досліджень й упровадженні розробок.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі "Аналіз сучасних наукових досягнень у формуванні зон підвищеного гірничого тиску під час відпрацювання тонких пологих вугільних пластів" зроблено короткий огляд і подано критичний аналіз робіт, присвячених дослідженням формування схем зсуву й утворення характерних зон напружено-деформованого стану (НДС) порід у розроблюваному вугленосному масиві, а також вплив на них основних чинників; методів визначення максимального осідання земної поверхні, шарів у межах підроблюваної, приростів коефіцієнтів концентрації в зоні підвищеного гірничого тиску (ПГТ); застосування методу кінцевих елементів для математичного моделювання НДС підроблюваного масиву; сформульовані мета, завдання досліджень і визначені методи їх вирішення.

За результатами виконаного аналізу встановлено, що з питання забезпечення стійкості виробок, які піддаються впливу зсуву під час розроблення пологих вугільних пластів, накопичено значний досвід науково-дослідними інститутами й університетами, а також окремими ученими й фахівцями, як у нашій країні, так і за кордоном. Великий внесок у вивчення зсуву масиву, зміни в ньому НДС і проявів зон ПГТ внесли ВНДМІ, УкрНДМІ, ІГТМ НАН України, ДонУГІ, ДонНТУ й ін. Сучасні уявлення з цих питань сформувалися в результаті широких досліджень, виконаних С.Г. Авершиним, О.Ф. Булатом, Ю.М. Гавриленком, М.П. Зборщиком, В.М. Земісевим, М.О. Іофісом, Ж.М. Канлибаєвою, А.Н. Медянцевим, В.І. М'якеньким, В.В. Назімком, Є.І. Піталенком, Б.М. Усаченком, Я. Фармером, В.І. Черняєвим, О. Якобі й ін.

На підставі аналізу встановлено, що в результаті зсуву підроблюваного вугленосного масиву відбуваються зональні зміни НДС складових його порід. Основним параметром, що характеризує зсув підроблюваного вугленосного масиву, є величина максимального осідання земної поверхні. Різноманітність схем зсуву зумовлена різними умовами їхнього формування, включаючи й зони ПГТ. Для конкретних умов пропонуються різні методики визначення максимального осідання підроблюваної товщі аж до земної поверхні, величина яких із віддаленням від розроблюваного пласта затухає. Розглянуті схеми зсуву й параметри їхнього формування не відображають зміни НДС порід у межах підроблюваної товщі. Недостатньо вивчені питання впливу на максимальне осідання підроблюваної товщі чергування шарів з їхнім віддаленням від пласта й різноміцнісної характеристики складових їхніх порід, формування й розповсюдження суміщених зон ПГТ, а також їхня дія на стійкість підготовчих виробок. Для встановлення максимального осідання підроблюваної товщі й параметрів поширення зон ПГТ необхідне моделювання області розроблюваного вугленосного масиву що охоплює великі простори. У таких випадках найбільш доцільно застосовувати математичне моделювання методом кінцевих елементів (МКЕ), альтернатив якому в наш час не існує.

Недостатня вивченість закономірностей зміни максимальних осідань порід у межах підроблюваної товщі й впливу суміщених зон ПГТ на стійкість підготовчих виробок, що знаходяться в них, приводить до необхідності вирішення вказаних завдань через проведення аналітичних і натурних досліджень для отримання результатів прогнозування з достатнім ступенем точності.

Другий розділ "Установлення впливу умов відпрацювання пластів антрациту глибокими шахтами на максимальне осідання земної поверхні" присвячений оцінюванню структурно-механічних властивостей вугленосного масиву й установленню залежності максимального осідання складових його порід на різному віддаленні від розроблюванного пласта аж до земної поверхні.

За оцінку міцнісних властивостей порід запропоновано сукупний показник kуi, що враховує межі їхньої міцності паралельно й перпендикулярно шаруватості, які отримані під час випробування кернів на міцність, відібраних на різній глибині за даними геологічної розвідки антрацитових пластів Східного регіону Українського Донбасу. Усереднені значення показника kуi для аргілітів, алевролітів і пісковиків становлять відповідно 0,57, 0,7 і 0,83.

Для оцінки структурно-механічних властивостей вугленосного масиву використано критерій о, який відображає різноспрямовану міцність почергових породних шарів різної потужності з віддаленням їх від розроблюваного пласта в межах підроблюваної 200-метрової товщі.

У графічній інтерпретації цей критерій є кутом (у радіанах) між віссю ординат і лінією, що сполучає початок координат з "центром ваги" в точці С плоскої фігури (рис.1), сумарна площа якої утворюється добутком потужності шарів mci і міцнісного показника kуi, що відкладаються відповідно по осях ординат і абсцис.

Для визначення розрахункових значень структурно-міцнісного критерію використовувалися фактичні дані 56 розвідувальних свердловин глибиною 200-1200м 8 шахт ДП "Антрацит", "Донбасантрацит", "Свердловантрацит" і "Ровенькиантрацит". Установлено, що в межах 200-метрової товщі, що складається з 5-40 породних шарів, розрахункова величина о змінюється в межах 0,5 - 0,8.

За даними 25 підроблюваних об'єктів на земній поверхні в умовах антрацитових шахт отримано емпіричну залежність зміни максимального осідання підроблюваної товщі порід.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Графічна інтерпретація структурно-міцнісного критерію вугленосного масиву

Діапазон зміни початкових параметрів, що входять у цю сукупність: потужність і кут падіння пласта відповідно m=0,85-1,6 м і б =1-180, глибина розробки Н=370-1100м, ширина виробленого простору В=120-900м, структурно-міцнісний критерій порід, які містять пласти антрациту о=0,6-0,66, максимальне фактичне осідання земної поверхні зmH=0,082-0,57м.

На підставі статистичного оброблення даних установлені емпіричні парні зв'язки зміни зmH з віддаленням від пласта й між вищевказанними параметрами, близькі до лінійної й спадної експоненціальної залежності.

До першого різновиду віднесені m і б, до другого - H, H/B і о.

Отримана загальна емпірична залежність, помилка прогнозу якої становить Sз =0,09.

, м. (1)

Апробація емпіричної залежності (1) проведена в умовах шахти "Ворошиловська ДП" "Ровенькиантрацит". Відносна помилка порівнюваних фактичних і розрахункових величин максимального осідання становила 21,9%.

Згідно із залежністю (1) встановлено, що в межах глибини розробки 800-1000м при ширині виробленого простору 200-400м основна частка (38-65%) максимальних осідань породних шарів припадає на 200-250-метрову товщу, що за величиною співпадає з висотою зони повних зсовувань підроблюваного масиву.

У третьому розділі "Визначення очікуваних параметрів напружено-деформованого стану вугленосного масиву методом кінцевих елементів" з використанням МКЕ розроблено математичну модель підроблюваного масиву, рішення якої підтверджує закономірність спадання величин максимального осідання підроблюваних породних шарів з віддаленням від відпрацьованого пласта за експоненціальною залежністю. Установлено також величину активної частини ширини виробленого простору, що впливає на формування зони ПГТ й ширину смуги природного розвантаження в крайовій частині вугільного пласта.

Розрахункова схема математичної моделі охоплює великий шаруватий масив з розмірами за глибиною 2052м і шириною 3076м, при цьому відстань від поверхні до вугільного пласта становить 1000м. Ширина виробленого простору змінювалася з відстанню, що дорівнювала рівним середній довжині лави 200м у діапазоні 200-800м. У розрахунковій схемі нижня межа жорстко закріплена від горизонтальних і вертикальних переміщень, а бічні межі жорстко - тільки від горизонтальних. Почергові шари аргіліту, алевроліту й пісковику представлені усередненими величинами їхніх потужностей з модулями пружності відповідно 1,5?104, 2?104 і 2,5?104 МПа і коефіцієнтом Пуассона 0,2, найхарактерніших умовам залягання антрацитових пластів цього регіону Донбасу. Вугільний пласт представлений шаром потужністю 1м із модулем пружності й коефіцієнтом Пуассона відповідно 0,46?104 МПа і 0,3. Охоплювана моделлю область вуглепородного середовища з усередненою питомою густиною 2,7т/м3 привантажена власною вагою. Розрахунок моделі проводився в непружній постановці задачі при зміні деформацій властивостей порід за експоненціальною залежністю.

Математичне моделювання МКЕ підтверджує зміну максимальних осідань підроблюваних шарів порід з віддаленням від відпрацьовуваного пласта за спадною експоненціальною залежністю.

За результатами моделювання змикання покрівлі й підошви у виробленому просторі за його ширини В=200-800м відбувається на видаленні 80 - 190м від кромки вугільного пласта утворюючи активну частину ширини виробленого простору

Ва=2,77В 0,64, м, (2)

коефіцієнт апроксимації, якої становить 0,99.

Використовуючи формули 1 і 2, отримана залежність зміни величини активної частини ширини виробленого простору від основних гірничо-технічних і структурно-механічних характеристик підроблюваного породного масиву, що впливають на формування в ньому зони ПГТ й природного розвантаження крайової частини пласта

,м. (3)

Ширина смуги природного розвантаження Sp визначалася за віддаленням рівновеликих значень зближень покрівлі й підошви Дh у крайовій частині вугільного пласта, де він знаходиться в псевдопружному стані. За даними моделювання отримана залежність зміни її величини від глибини розробки й активної частини ширини виробленого простору коефіцієнт апроксимації, якої становить 0,97.

, м, (4)

В умовах шахти "Червоний партизан" ДП "Свердловантрацит", на глибині 800-900м за ширини виробленого простору 400м, за даними натурних спостережень зона природного розвантаження становила 14м, а прогнозована з використанням формули 4-11м, що вказує на достатню збіжність величин, що розглядаються для практичної мети й достовірність отриманого зв'язку.

Зміну підвищених напружень, що виникають від виступнової кутової частини пласта із взаємоперпендикулярними кромками, досліджено з використанням розробленої об'ємної математичної моделі МКЕ (рис.2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Розрахункова схема об'ємної математичної моделі вугленосного масиву

Через симетрію модельованої області вугленосного масиву, що розглядується враховувалася четверта її частина з відповідними розмірами 1000Ч1000Ч1641м. Вугільний пласт потужністю 1м розташований на глибині 1000м. Виходячи з усереднених умов відроблення вугільних пластів, довжина кожної кромки виступкої кутової частини вугільного масиву взята за 200м, а ширина виробленого простору - від 200 до 400м. Модельована область цього масиву з віддаленням від вугільного пласта і його створів у вертикальному й горизонтальному напрямах розбивалася на паралелограми з розмірами сторін від 1 до 300м і 14 почергових шарів аргіліту, алевроліту і пісковику різної потужності з відповідними пружно-деформаційними характеристиками.

У зоні ПГТ з віддаленням у покрівлю на ділянці крайової частини пласта значення максимальних розрахункових стискальних напружень в 1,2 - 2 рази менше, ніж над вступною його кутовою частиною. Звідси випливає, що над останньою відбувається накладка (підсумовування) напружень від двох прямолінійних кромок вугільного пласта, унаслідок чого утворюється суміщена зона ПГТ. Вплив цієї зони поширюється до 130м від кутової частини, у межах створу пласта максимальні розрахункові стискувальні напруження перевищують геостатичні (гН) в 1,5 - 6,5 раза.

Зміна величин максимальних розрахункових стискувальних і розтягувальних напруг у суміщеній зоні ПГТ підлягає відповідно спадній експоненціальній і ступеневій залежності. З віддаленням у покрівлю й підошву пласта ці напруження за величиною відрізняються трохи (1-11%), що пояснюється різним їхнім положенням по глибині розробки.

Для прогнозування проявів суміщеної зони ПГТ запропоновано використовувати приріст коефіцієнта концентрації підвищених розрахункових стискувальних напружень Дk. Отримані плоскі і об'ємні графіки зміни його величини, що дозволяють у будь-якій фіксованій точці суміщеної зони ПГТ над виступаючою кутовою частиною пласта визначати значення Дk.

У четвертому розділі "Шахтні дослідження зсувів порід навколо підготовчих виробок у зонах впливу підвищеного гірничого тиску" подано результати шахтних інструментальних спостережень, на підставі яких установлений вплив проявів суміщених зон ПГТ на стійкість підготовчих виробок; обґрунтовано й розроблено рекомендації щодо забезпечення їхнього задовільного стану, упровадження яких дозволило отримати економічний ефект.

Шахтні вимірювання проявів гірничого тиску вдосконалені методом фотограмметрії, що дозволяє підвищити точність визначення величин зсувів контура виробок і характер деформації кріплення через розміщення по її контуру світлопровідного джгута.

В умовах шахти ім. Вахрушева встановлений характер зміни осідання підошви підроблюваного квершлагу №4 під впливом суміщеної зони ПГТ, що утворюється від залишених на вищерозміщеному пласті h8 ціликів і крайових частин. Піки приростів коефіцієнтів концентрації Дk підвищених напружень у цій зоні співпадають з якнайменшими фактичними значеннями осідання підошви квершлагу. Це відбувається за рахунок більшого видавлювання порід підошви, за збільшення Дk=0,1 осідання його підошви зменшується порівняно з розрахунковим у середньому на 0,25м, а її підняття зростає навіть за віддаленні від відпрацьовуваного нижчого пласта h7.

В умовах вищеназваної шахти при відробленні пласта h10 на ділянці вентиляційного штреку №1 завдовжки 155м за відсутності очисних робіт виявлено вплив суміщеної зони ПГТ, утвореної в результаті накладки підвищених напружень від крайових частин виступної кутової частини цілика вищерозміщеного пласта h11 при Дk>0,6, яке виявилося у видавлюванні грунту на 0,4-0,5м з утворенням гребеня її розлому уздовж виробки. Відносна помилка прогнозованої довжини ділянки штреку, схильної до впливу суміщеної зони ПГТ, становила 16%, що вказує на високу збіжність прогнозування параметрів суміщених зон ПГТ методом накладки. В умовах тієї ж шахти дослідження проявів суміщеної зони ПГТ, утвореної виступною кутовою частиною цілика складної конфігурації пласта h10, проведено у вентиляційному хіднику лави №3пан пласта h11. Установлено, що наявність виступної кутової частини цілика складної конфігурації сприяє переміщенню розташування максимальних величин Дk убік від центру, які в 1,5 раза більше, ніж під ділянкою з прямолінійними його кромками. Середньогеометрична величина вертикальних і бічних контурних зсувів виробки в суміщеній зоні ПГТ у 2,7 раза більша, ніж не в суміщеній його частині. За зміни приросту коефіцієнта концентрації напружень на 0,1 вертикальні зсуви порід у прилеглому до лави вентиляційному хіднику лави №3пан збільшуються на 0,04-0,07м, а середньогеометрична величина вертикальних і бічних зсувів відповідно в середньому на 0,065м.

В умовах шахти "Червоний партизан" при відробленні пласта k'5 лавою 51 в суміщеній зоні ПГТ, утвореною кутовою частиною вугільного масиву пласта k6 із сторонами 200Ч200м на підставі раніше розробленої об'ємної математичної моделі МКЕ встановлені прирости коефіцієнтів концентрації розрахункових стискувальних напружень, що впливають на стан вентиляційного штреку, який проводиться слідом за цією лавою. За результатами статистичного оброблення фактичних даних, отриманих шахтними інструментальними вимірюваннями, втрати висоти (Дh) цього вентиляційного штреку й значень (Дk), отриманих моделюванням, у межах суміщеної зони ПГТ, що виникає від виступної кутової частини вугільного масиву, встановлений емпіричний зв'язок (рис. 3), коефіцієнт апроксимації якого становить 0,87. При збільшенні Дk=0,1 втрата висоти виробки становить у середньому 0,077м.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Зміна втрати висоти штреку (Дh) за збільшуваного приросту коефіцієнта концентрації напружень (Дk)

Виходячи з очікуваних величин Дk розроблені й упроваджені рекомендації щодо збереження задовільного стану вентиляційного штреку лави 51 пласта k'5. На його ділянках, де приріст коефіцієнта концентрації стискувальних напружень Дk<1,3, збільшено поперечний переріз у світлі з 11,2м2 до 13,8м2 під час будування кріплення КМП-A3, а на ділянках, де Дk>1,3 - з 13,8м2 до 17м2 (КМП-А5) за рахунок нарощування стояків на 0,8-1,0м "мальчиками", до того ж під верхняк кожної рами встанавлювалися кріплення посилення у вигляді ремонтин. Економічний ефект від упровадження запропонованих рекомендацій щодо збереження в задовільному стані вентиляційного штреку лави №51, схильного до впливу суміщеної зони ПГТ на ділянці завдовжки 180м, становив 217тис. грн.

У дисертаційній роботі подано розв'язання актуальної задачі, що полягає у визначенні параметрів проявів суміщеної зони підвищеного гірничого тиску навколо виступної кутової частини вугільного пласта й обґрунтуванні ступеня її впливу на стійкість підготовчих виробок глибоких антрацитових шахт.

Основні висновки, наукові й практичні результати роботи, отримані автором у дисертаційній роботі, полягають у наступному:

1. Методом математичної статистики отриманий структурно-міцнісний критерій вугленосного масиву, що характеризує різноспрямовану міцність почергових складових його породних шарів різної потужності з віддаленням їх від розроблюваного пласта в межах 200-метрової товщі. Величина цього критерію в умовах залягання тонких пологих пластів антрациту становить 0,5-0,8.

2. Установлена з урахуванням структурно-міцнісного критерію достовірна емпірична експоненціальна залежність, що відображає закономірність спадання величин максимального осідання підроблюваного масиву з віддаленням від пласта, яка підтверджена математичним моделюванням методом кінцевих елементів. У межах глибини розробки 800-1000м за ширини виробленого простору 200--400м основна частка (38-65%) цих осідань породних шарів припадає на висоту зони повних зсовувань масиву.

3. На підставі математичного моделювання методом кінцевих елементів встановлена активна частина ширини виробленого простору, що впливає на параметри формування зони підвищеного гірничого тиску й ширину смуги природного розвантаження крайової частини вугільного пласта. Величина активної частини ширини виробленого простору при загальній ширині останнього 200-800м змінюється від 80 до 190м. Ширина смуги зони природного розвантаження за однакового опускання покрівлі й підняття підошви 1мм/м становить у середньому 10м.

4. Розроблена об'ємна математична модель, що охоплює вугленосний масив з розмірами 2000Ч2000Ч1641м. Через симетрію цієї моделі розраховувалася четверта її частина з розмірами 1000Ч1000Ч1641м, яка використана для встановлення параметрів напружено-деформованого стану навколо виступної кутової частини вугільного пласта.

5. Об'ємним математичним моделюванням установлено, що суміщена зона підвищеного гірничого тиску, утворена виступною кутовою частиною пласта на глибині 1000м із взаємоперпендикулярними 200-метровими по довжині його кромками, поширюється в покрівлю й підошву на 130м. На видалення 5-100м від пласта величини спадних максимальних розрахункових стискувальних напружень перевищують нормальний геостатичний тиск у 6,5-1,5, і аналогічні напруги, що виникають над (під) прямолінійною крайовою його частиною поза впливом суміщеної зони ПГТ, у 2-1,2 раза менше порівняно із вказаними. Максимальні величини розрахункових стискувальних і розтягувальних напружень із віддаленням від пласта змінюються відповідно за спадною експоненціальною й ступеневою залежностями.

6. Проведеними дослідженнями проявів зон підвищеного гірничого тиску в умовах шахти ім. Вахрушева встановлено:

- із збільшенням приросту коефіцієнта концентрації розрахункових стискувальних напружень на 0,1 в зоні прояву суміщеного підвищеного гірничого тиску величина осідання підошви підроблювального квершлагу зменшується в середньому на 0,25м;

- у вентиляційному штреку, несхильному до впливу очисних робіт, у суміщеній зоні підвищеного гірничого тиску від кутової частини вугільного цілика на глибині 860м при величині приросту коефіцієнта концентрації напружень більш ніж 0,6, його підошва видавлюється з розломом, максимальна величина підняття гребеня якого становить 0,5м. При цьому збільшення приросту коефіцієнта концентрації напруг на 0,1 відповідає підняттю підошви в середньому на 0,05м;

- у вентиляційному хіднику, що поетапно проводиться, (спочатку виробка проводиться по пласту на всю довжину виймального стовпа, потім вона формується повним перерізом слідом за посуванням лави) наявність виступної кутової частини складної конфігурації цілика на вищерозміщеному пласті викликає асиметричність розташування величин приросту коефіцієнта концентрації напружень щодо осі цілика за його довжиною й в 1,5 раза більше, ніж під стрічковим ціликом. При зміні приросту коефіцієнта концентрації напружень на 0,1 вертикальні зсуви порід у прилеглому до лави вентиляційному хіднику лави №3пан збільшуються в середньому на 0,05м, а середньогеометрична величина вертикальних і бічних зсувів - на 0,065м.

7. Проведеними дослідженнями впливу суміщеної зони підвищеного гірничого тиску навколо виступної кутової частини вищерозміщеного пласта, утвореної взаємоперпендикулярними створами відпрацьованих лав установлено, що у вентиляційному штреку, який проводиться слідом за лавою (шахта "Червоний партизан"), за збільшення приросту коефіцієнта концентрації напружень на 0,1 втрата висоти виробки зростає прямопропорціонально й становить у середньому 0,077м.

8. Сукупність результатів шахтних досліджень дозволяє прогнозувати величину втрати перерізу виробки, що підпала під вплив проявів суміщеної зони підвищеного гірничого тиску, залежно від приросту в ній коефіцієнта концентрації напружень.

9. Для забезпечення задовільного стану виробок, що проводяться слідом за лавою в суміщеній зоні підвищеного гірничого тиску, утвореної виступної кутовою частиною вугільного пласта, розроблені й упроваджені рекомендації, які включають:

- прогнозування довжини ділянки виробок, схильних до впливу підвищеного гірничого тиску й величини приросту коефіцієнта концентрації напружень в межах цієї ділянки;

- збільшення площі поперечного перерізу виробки на 25% і 50% за приросту коефіцієнта концентрації напружень відповідно менш і більш 1,3;

- застосування високопіддатливогої металевого кріплення з елементами його посилення у вигляді ремонтин.

Економічний ефект від упроваджених рекомендацій у вентиляційному штреку лави 51 шахти "Червоний партизан" на ділянці 180м, що проводиться в суміщеній зоні підвищеного гірничого тиску, становив 217 тис. грн.

осідання гірничий тиск

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ В РОБОТАХ

1. Борзых А.Ф., Аверин Г.А., Князьков О.В. Структурно - прочностной критерий угленосного массива // Сб. науч. трудов ДГМИ. - Алчевск: ИПЦ "Ладо", 2001. - Вып. 14. - С. 50 - 56.

2. Аверин Г.А., Князьков О.В. Структурно - прочностной критерий угленосного массива с учетом чередования породных слоев // Сб. науч. трудов ДГМИ. - Алчевск: ИПЦ "Ладо", 2003. - Вып. 17. - С. 148 - 152.

3. Борзых А.Ф., Аверин Г.А., Князьков О.В. Прогнозирование максимальных оседаний пород подрабатываемого угленосного массива // Вестник МАНЭБ. - Санкт-Петербург, 2004. - т.9, №7(79). - С. 34 - 38.

4. Аверин Г.А., Кирьязев П.Н., Князьков О.В. Моделирование методом конечных элементов оседания подработанного массива в зависимости от ширины выработанного пространства //Сб. науч. трудов "Перспективы развития угольной промышленности в XXI веке".-Алчевск: ИПЦ "Ладо", 2002.-С.99 -104.

5. Борзых А.Ф., Аверин Г.А., Кирьязев П.Н., Князьков О.В. Влияние ширины выработанного пространства на смещение кровли и почвы вокруг краевой части угольного массива // Вестник МАНЭБ. - Санкт-Петербург, 2003. - т.8, №5(65). - С. 32 - 38.

6. Князьков О.В. Определение ширины зоны естественной разгрузки угольного массива на границе с выработанным пространством // Сб. науч. трудов ДГМИ. - Алчевск: ИПЦ "Ладо", 2000. - Вып. 12. - С. 67 - 73.

7. Борзых А.Ф., Князьков О.В., Лиликович В.И. Влияние ПГД на смещение пород, вмещающий подрабатываемый квершлаг // Уголь Украины. - 2002. - №12. - С. 25 - 27.

8. Борзых А.Ф., Аверин Г.А., Князьков О.В., Лиликович В.И. Выдавливание почвы в штреках под влиянием повышенного горного давления // Уголь Украины. - 2002. - №7. - С. 13 - 15.

9. Княжев С.Н., Князьков О.В. Активизация проявлений повышенного горного давления в сопряженной с лавой подготовительной выработке // Уголь Украины. - 2004. - №10. - С. 9 - 12.

10. Борзых А.Ф., Аверин Г.А., Кирьязев П.Н., Князьков О.В. Смещение пород в проводимой за лавой выработке под влиянием повышенного горного давления // Уголь Украины. - 2004. - №12. - С. 27 - 29.

11. Дек. пат. 5788 Україна. Спосіб фотограмметричної зйомки підземних гірничих виробок / Аверін Г.О., Антюхов С.В., Княжев С.М., Князьков О.В. Донбаський гірничо-металургійний інститут; Заявлено 25.08.2004. Надруковано 15.03.2005 Бюл.№3.

Размещено на Allbest.ru