Прогнозування зближень порід контуру проведених слідом за лавою підготовчих виробок на пологих пластах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Донецький національний технічний університет

УДК 622.284.4

Спеціальність: 05.15.02 - "Підземна розробка родовищ корисних копалин"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Прогнозування зближень порід контуру проведених слідом за лавою підготовчих виробок на пологих пластах

Стулішенко Олексій Юрійович

Донецьк 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Гірнича геомеханіка" Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Гавриш Микола Миколайович, професор кафедри "Гірнича геомеханіка" Донецького національного технічного університету.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Назимко Віктор Вікторович, завідувач лабораторією моделювання Гірничого інституту Донецького національного технічного університету (м. Донецьк).

- кандидат технічних наук, Піталенко Євген Іванович, заступник директора з наукової роботи відділення фізико-технічних гірничих проблем Донецького фізико-технічного інституту (м. Донецьк).

Провідна установа Донбаський гірничо-металургійний інститут Міністерства освіти і науки України, кафедра розробки пластових родовищ (м. Алчевськ).

Захист відбудеться 17 травня 2002 р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 в Донецькому національному технічному університеті за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, ауд. 1201 (1-й уч. корпус).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ДонНТУ (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2-й уч. корпус).

Автореферат розісланий 11 квітня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 доктор технічних наук, професор Шевцов М.Р.

Анотації

Стулішенко О.Ю. Прогнозування зближень порід контуру проведених слідом за лавою підготовчих виробок на пологих пластах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 - підземна розробка родовищ корисних копалин. Донецький національний технічний університет, м. Донецьк, 2002.

Захищається дисертаційна робота, у якій дане нове рішення актуальної наукової задачі, що полягає в розвитку методу прогнозування конвергенції покрівлі і підошви виробок, проведених і підтримуваних слідом за лавою.

Проведено аналіз застосовуваних у даний час на шахтах Донбасу систем розробки, вітчизняного і закордонного досвіду охорони виймальних виробок, проведених і підтримуваних за очисним вибоєм, а також існуючих методів прогнозу зміщень у виробках досліджуваного класу. Проведено шахтні дослідження в 20 виробках на 8 вугільних шахта.

Досліджено вплив гірничо-геологічних і гірничотехнічних факторів. Установлено залежності між досліджуваними параметрами і конвергенцією покрівлі і підошви виробок, проведених за лавою.

Отримано залежність для прогнозу конвергенції покрівлі і підошви виробок, де, крім відомих параметрів враховується: розвиток конвергенції в часі, конструкція комбінованого охоронного спорудження і нерівномірність зміщень контуру по довжині виробки.

Результати роботи у виді тимчасової інструкції прийняті для розробки паспортів кріплення виробок, проведених за очисним вибоєм у ДХК "Донвугілля", ГХК "Макіїввугілля" і АП "Шахта ім. А.Ф. Засядько".

Ключові слова: підготовча виробка, стійкість виробки, конвергенція, комбіноване охоронне спорудження, прогноз зміщень.

Стулишенко А.Ю. Прогнозирование сближений пород контура проводимых вслед за лавой подготовительных выработок на пологих пластах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - подземная разработка месторождений полезных ископаемых. Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, 2002.

Защищается диссертационная работа, в которой дано новое решение актуальной научной задачи, заключающейся в развитии метода прогнозирования конвергенции кровли и почвы выработок, проводимых и поддерживаемых вслед за лавой, установлении особенности влияния "жесткого" элемента комбинированного охранного сооружения на величину конвергенции выработок, установлении закономерности, связывающей конвергенцию выработок исследуемого класса с длительностью их поддержания и установлении величины неоднородности смещений по длине выработок рассматриваемого класса.

Проведен анализ применяемых в настоящее время на шахтах Донбасса систем разработки. Установлено что за период с 1998 по 2000 г. удельный вес сплошной и комбинированной систем разработки увеличился до 42% и 20% соответственно. Такое положение связано с ухудшением горно-геологических условий добычи угля, характеризующихся значительной глубиной, высоким горным давлением, газоносностью и выбросоопасностью.

Анализ отечественного и зарубежного опыта охраны выемочных выработок, проводимых и поддерживаемых позади очистного забоя, показал, что чаще всего на практике применяются комбинированные искусственные сооружения (состоящие из 2-х и более элементов с различными конструкционными параметрами и механическими свойствами). Применение такого рода сооружений основывается, как правило, на данных опыта и не имеет должного геомеханического обоснования.

Проведенный анализ существующих в настоящее время зарубежных и отечественных методик прогноза смещений в подготовительных выработках показал, что ни одна из них не учитывает весь спектр факторов, оказывающих влияние на устойчивость выработок.

Проведены шахтные исследования в 20 выработках на 8 угольных шахтах Донбасса. В результате натурных исследований выработок, проводимых и поддерживаемых позади очистного забоя, установлен незатухающий характер смещений контура выработок. Статистически оценена достоверность замеров в выработок и установлена регрессионная зависимость между величиной конвергенции контура выработок и временем их существования.

По результатам натурных исследований установлено, что выработку, проводимую вслед за лавой, можно условно разделить на две зоны: зону активных смещений контура выработки и зону затухающих скоростей смещений контура. Установлены параметры этих зон.

При помощи математического моделирования установлены зависимости конвергенции выработок от параметров комбинированного охранного сооружения, позволяющие, учитывая параметры конструкции и механические свойства комбинированного охранного сооружения, обоснованно подходить к выбору наиболее рационального способа охраны выемочных выработок, проводимых вслед за лавой.

Исследовано влияние горно-геологических и горнотехнических факторов. Установлены зависимости между исследуемыми параметрами и конвергенцией кровли и почвы выработок, проводимых позади лавы.

Для выработок, проводимых позади очистного забоя, получена зависимость для прогноза конвергенции почвы и кровли, где, кроме известных параметров (глубина, прочность пород, особенности крепления), учитывается: развитие конвергенции во времени, конструкция комбинированного сооружения и неравномерность смещений контура по длине выработки.

Разработан горно-статистический метод прогноза смещений в выработках, позволяющий учитывать разнообразие природных условий и горнотехнических факторов, влияющих на состояние подготовительных выработок.

Разработана программа для расчета конвергенции кровли и почвы выработок, проводимых позади очистного забоя.

Получил дальнейшее развитие метод прогнозирования конвергенции кровли и почвы выработок, проводимых и поддерживаемых вслед за лавой.

Результаты работы в виде временной инструкции приняты для разработки паспортов крепления выработок, проводимых позади очистного забоя в ГХК "Донуголь", ГХК "Макеевуголь" и АП "Шахта им. А.Ф. Засядько".

Ключевые слова: подготовительная выработка, устойчивость выработки, конвергенция, комбинированное охранное сооружение, прогноз смещений.

Stulishenko A.J. Prognosing of contour rocks approaching of mineroads on sloping strata conducted after the drift. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.15.02. - "Underground extraction of deposits of mineral resources". - Donetsk national technical university. Donetsk, 2002.

The dissertation under defence deals with a new solution of the actual scientific problem developing the method of prognosing of the roof convergence and mineroads soil, conducted and supported after the drift; establishing of influence of "rigid" element of combined protecting building to mineroads convergence quantity; establishing of the regularities connecting the mineroads convergence of the examined class with the quantity jot durability of their supporting and establishing of heterogeneity of displacements along the mineroads of the examined class.

The results of the work as a temporary instruction are accepted to develop the passports of mineroads roof conducted behind the purifier pit-face in SHC "Donugol", SHC "Makeyevugol" and SE "Shakhta named after A.F. Zasyatko".

Key words: development mineroad, stability of mineroad, convergence, combined protecting building, prognosing of contour rocks approaching.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. У даний час у Донбасі збільшується частка суцільних і комбінованих систем розробки. Основними причинами цього є: збільшення глибини ведення гірничих робіт і, як наслідок, ріст гірничого тиску, а також погіршення економічного становища шахт, що не дозволяє завчасно проводити виробки. У зв'язку з цим зростає інтерес до виробок, проведених слідом за очисним вибоєм.

Для рішення питань підтримки виробок такого класу необхідні надійні методи прогнозу очікуваних зближень контуру виробки і вибору параметрів їхньої підтримки. Діючі в даний час на шахтах України методики ВНДМІ і ДонВУГІ застаріли та не враховують ряд факторів, що роблять вплив на стійкість виробок, а саме: вплив часу на величину зміщень у гірничій виробці з урахуванням параметрів комбінованого охоронного спорудження (що складається з 2-х і більш елементів з різними конструкційними параметрами і механічними властивостями).

Ефективне застосування виробок, проведених слідом за очисним вибоєм, можливо тільки за умови рішення питань прогнозу очікуваних зближень контуру виробки з урахуванням часу існування виробки і конструкції комбінованого охоронного спорудження, що визначає актуальність дійсної роботи.

Зв'язок теми дисертації з планом основних робіт університету.

Робота виконана в рамках одного з основних наукових напрямків кафедри гірничої геомеханіки Донецького національного технічного університету і відповідно до плану підготовки наукових кадрів.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є встановлення особливостей зміщень контуру виробок і залежності цих зміщень від основних факторів, що впливають, для прогнозування очікуваної стійкості підготовчих виробок, проведених слідом за лавою, що охороняються штучними спорудженнями перемінної жорсткості на пологих пластах.

Розв'язані наступні задачі:

1. Досліджено механізм зміщень гірничих порід у виробках, що оформлюються за очисним вибоєм.

2. Досліджено вплив часу існування виробки на величину вертикальної конвергенції контуру виробки.

3. Досліджено вплив параметрів комбінованого штучного спорудження на величину вертикальної конвергенції контуру виробки.

4. Встановлена емпірична залежність величини зміщень контуру виробок від досліджуваних факторів.

Ідея роботи полягає в урахуванні фактора часу, параметрів комбінованого штучного спорудження і неоднорідності зміщень по довжині виробки при прогнозуванні очікуваної величини конвергенції покрівлі і підошви виробок, проведених слідом за лавою.

Об'єктом досліджень є процес зближення підошви і покрівлі (конвергенція) підготовчих виробок.

Предметом досліджень є розвиток у часі процесу зближення покрівлі і підошви підготовчих виробок, проведених слідом за лавою, що охороняються штучними спорудженнями перемінної жорсткості.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої мети в роботі використаний комплексний метод, що включає узагальнення й аналіз вітчизняного і закордонного досвіду охорони підготовчих виробок, натурні спостереження зміщень контуру виробок і статистичну обробку результатів, математичне моделювання напружено-деформованого стану порід за допомогою методу кінцевих елементів.

Основні наукові положення і результати, що виносяться на захист, та їх новизна:

1. Експериментально, в шахтних умовах, установлена нерівномірність вертикальних зближень покрівлі і підошви по довжині виробок, проведених слідом за лавою, що характеризується відхиленням зміщень від їх середньої величини в межах 24,8...49,5% і залежить, в основному, від якості виконання робіт із проведення, кріплення й охорони виробок.

2. Установлено особливість впливу "жорсткого" елемента комбінованого охоронного спорудження (сполучення породної смуги з більш жорстким елементом), споруджуваного з боку виробленого простору лави, на збереження стійкості виробок, що полягає в зменшенні на 10...20% зближень покрівлі і підошви виробок при наявності "жорсткого" елемента шириною 1...5м на відстані від контуру вироблення не більш 1 м; при цьому збільшення жорсткості елемента в 7,5 разів приводить до незначного зменшення величини зближень порід контуру (до 6%).

3. Установлено залежність зближень покрівлі і підошви виробок, проведених за очисним вибоєм, від основних факторів, що впливають, яка відрізняється обліком часу підтримки розглянутого перетину виробки, конструкції і механічних властивостей комбінованого охоронного спорудження, а також неоднорідності зміщень контуру по довжині виробки.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій, сформульованих у дисертації, підтверджується обґрунтованим та достатнім обсягом експериментальних робіт у шахтних (20 підготовчих виробок 8 шахт) і лабораторних (168 математичних моделей з використанням методу кінцевих елементів) умовах, застосуванням сучасних методів математичного моделювання, якісним збігом результатів шахтних та лабораторних досліджень, тіснотою статистичних зв'язків між досліджуваними величинами, результатами впровадження результатів досліджень.

Наукове значення роботи полягає в більш глибокому розкритті особливостей і механізму зміщень порід контуру виробок; установленні ступеня впливу конструкції і механічних властивостей комбінованого охоронного спорудження на величину зближень покрівлі і підошви виробок; встановленні залежності зближень покрівлі і підошви виробок, проведених і підтримуваних за очисним вибоєм, що враховує час підтримки розглянутого перетину виробки, конструкцію і механічні властивості комбінованого охоронного спорудження, а також неоднорідність зміщень контуру по довжині виробки.

Практичне значення роботи полягає в розробці методу прогнозу вертикальної конвергенції в будь-якому перетині виробок, проведених за очисним вибоєм, що може бути застосований для проектування кріплення й охорони даного класу виробок, планування обсягу, місця і часу ведення ремонтних робіт у виробках і, як елемент розрахунку, при проектуванні систем розробки пологих пластів Донбасу.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Результати роботи, у вигляді тимчасової інструкції, прийняті для розробки паспортів кріплення виробок, проведених за очисним вибоєм у ДХК "Донвугілля", ДХК "Макіїввугілля" і АП "Шахта ім. О.Ф. Засядька".

Апробація роботи. Основні положення роботи в цілому і її окремі етапи обговорювалися й одержали схвалення на щорічних науково-практичних конференціях випускників гірничого факультету Донецького національного технічного університету (Україна, м. Донецьк, 1998 - 2000 р.р.); Міжнародній науково-практичній конференції МДГУ "Тиждень гірника - 2000" (Росія, м. Москва, 2000 р.); науково-практичній конференції присвяченої 80-річчю ДонДТУ (Україна, м. Донецьк, 2001 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 6 наукових праць.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновку і додатків, викладена на 170 сторінках машинописного тексту, включаючи 44 рисунка, 17 таблиць, 13 страниць додатків і перелік використаних джерел з 82 найменувань.

Основний зміст роботи

У першому розділі дисертаційної роботи проведено аналіз застосовуваних у даний час на шахтах Донбасу систем розробки. Аналіз показав, що за період з 1998 по 2000 рік на шахтах Державних холдингових компаній: "Донвугілля", "Донецьквугілля", "Макіїввугілля", "Селідоввугілля", "Октябрьвугілля", "Красноармійськвугілля", "Торезантрацит" і "Шахтарськантрацит" питома вага стовпової системи розробки зменшилася з 43 до 38%. Дольова участь суцільної системи зменшилася з 44 до 42%, а комбінованої - збільшилася з 13 до 20%.

Таке положення пов'язано з погіршенням гірничо-геологічних умов видобутку вугілля, що характеризуються значною глибиною, високим гірничим тиском, газоносністю і викидонебезпекою. У ситуації, що створилася, економічно доцільним й екологічно обґрунтованим є подальше збільшення питомої ваги суцільної та комбінованої, на базі суцільної, систем розробки.

Аналіз вітчизняного і закордонного досвіду охорони підготовчих виробок, проведених і підтримуваних за очисним вибоєм, показав, що найчастіше на практиці застосовуються комбіновані штучні спорудження, що складаються з 2-х і більш елементів з різними конструкційними параметрами і механічними властивостями. Однак застосування такого роду споруджень базується, як правило, на даних досвіду і не має належного геомеханічного обґрунтування.

Аналіз існуючих у даний час закордонних і вітчизняних методів прогнозу зміщень у підготовчих виробках показав, що жоден з них не враховує весь спектр факторів, що роблять вплив на стійкість виробок, а отже дають не зовсім коректні результати.

Таким чином, для забезпечення безремонтної підтримки виробок при відпрацьовуванні лав прямим ходом, необхідний метод прогнозу зміщень контуру.

Другий розділ дисертаційної роботи присвячений натурним дослідженням особливостей конвергенції покрівлі і підошви виробок, проведених і підтримуваних за очисним вибоєм. Шахтні спостереження переслідували наступні цілі: оцінити вплив гірничо-геологічних і гірничотехнічних факторів на величину конвергенції покрівлі і підошви виробок, а також визначити характер зміни величини і швидкості конвергенції в залежності від часу існування виробки.

З цією метою було обстежено 20 підготовчих виробок на 8 вугільних шахтах Державних холдингових компаній "Донвугілля", "Донецьквугілля", "Макіїввугілля" і "Селідоввугілля" (глибина ведення робіт - 150…1300м, товщина пласта - 0,7...1…1,6м, середньозважена міцність порід - 40...70 МПа, кут падіння пласта - 4...18?)

Для забезпечення порівнянності результатів, виміри велися по єдиній для усіх виробок і шахт схемі. Використовувався метод масових вимірів на кріпленні. Інтервал між замірними точками у виробках на ділянці інтенсивних швидкостей зміщень порід складав 2 м. З видаленням від очисної виробки, цей інтервал поступово збільшувався до 20 м. При цьому виконувалися виміри висоти виробок, а також спостереження за деформацією елементів кріплення. Зміщення порід (деформації кріплення) на контурі виробок вимірювали за допомогою телескопічного стержня і рулетки ВНДМІ. геологічний гірничотехнічний конвергенція виробка

Результати спостережень заносилися в журнал обстеження стану гірничих виробок з указанням параметрів проведення (перетин, висота і ширина; спосіб проведення; крок установки кріплення), підтримки (тип кріплення, наявність і величина підривання підошви, наявність кріплення посилення) і охорони (вид охоронного спорудження і його параметри) виробок. При аналізі результатів використовувалися дані паспортів проведення і кріплення виробок, а також паспорта керування покрівлею у лаві і викопіювання з планів гірничих робіт. Потім дані коректувалися з урахуванням проведеного у виробці підривання, застосовуваних додаткових заходів і щільності установки основного кріплення.

Оцінка результатів натурних спостережень здійснювалася з використанням інтегрованої системи комплексного статистичного аналізу й обробки даних у середовищі Windows - Statistica і системи Microsoft Excel 97. У наслідку статистичної обробки результатів визначалися: коефіцієнт кореляції, коефіцієнт детермінації, дисперсія адекватності, середньоквадратичне відхилення і відносна погрішність. Результати натурних спостережень наведені на рис. 1.

Було встановлено, що конвергенція покрівлі і підошви виробок, проведених за очисним вибоєм, залежить від часу їхнього існування. При цьому конвергенція носить незгасаючий характер і описується логарифмічним законом, а її швидкість згодом зменшується.

Аналіз результатів натурних спостережень показав, що виробку, проведену слідом за лавою, можна умовно розділити на дві зони: зону активних зміщень контуру виробки і зону загасаючих швидкостей зміщень контуру. Існує зона обтиску кріплення, що характеризується нульовими зміщеннями контуру виробки і часом існування 3 - 6 діб.

Під час аналізу було прийнято, що зона інтенсивних швидкостей зміщень контуру виробок обмежується швидкістю 2 мм/доб. У залежності від глибини й міцності порід зона характеризується наступними параметрами: час перебування виробки в цій зоні складає від 0,5 діб (при Н/Rc = 3 м/МПа) і до 8 міс (при Н/Rc = 30 м/МПа) (рис. 2а); довжина зони - 10…120 м, що приблизно дорівнює довжині зони тимчасового опорного тиску попереду лави; величина конвергенції - 35…2000 мм у тому ж діапазоні міцностей і глибин (рис. 2б).

Друга зона характеризується загасанням швидкості конвергенції контуру виробок (V) від 2 мм/доб до 0,05 мм/доб (при Н/Rc = 3 м/МПа), до 0,2 мм/доб (при Н/Rc = 15 м/МПа) і до 0,4 мм/доб (при Н/Rc = 30 м/МПа) через 3 роки експлуатації виробок (рис.3) і може бути визначена по формулі (1).

, (1)

де Н - глибина розташування виробки, м;

Rc - середньозважена міцність порід на одноосьовий стиск, МПа;

t - час існування перетину виробки, міс.

Під час проведення натурних спостережень у гірничих виробках було встановлено, що в усіх виробках спостерігається нерівномірність конвергенції по довжині виробки (див., наприклад, рис. 4).

Аналіз результатів виміру конвергенції в 20-ти виробках показав, що відхилення обмірюваних величин від лінії тренда підкоряється нормальному закону розподілу.

При обраній величині довірчої імовірності - P = 0,9 і квантеля стандартизованого нормального розподілу - 1,64, відносна погрішність у досліджуваних виробках змінювалася в межах 24,8 - 49,5 %, а середня величина склала 30,5 %.

На наш погляд, причинами нерівномірності конвергенції по довжині виробки є: неоднорідність і якість виконання технологічних операцій, а також флуктуація геологічних умов у межах виймальної ділянки.

Для вибору кріплення на різних етапах експлуатації виробки пропонується урахування неоднорідності зміщень по довжині виробки робити введенням у формулу конвергенції коефіцієнта неоднорідності зміщень контуру по довжині виробки - kн = 1,3.

У третьому розділі дисертаційної роботи було проведено математичне моделювання напружено-деформованого стану порід за допомогою методу кінцевих елементів.

На даному етапі роботи ставилися наступні задачі:

1. Досліджувати зміни напружено-деформованого стану масиву порід і показників стійкості виробки в залежності від способу її охорони і часу її існування.

2. Досліджувати вплив гірничо-геологічних і гірничотехнічних факторів на стійкість виробок, проведених слідом за лавою.

3. Досліджувати вплив параметрів штучного спорудження на величину вертикальних зміщень порід у виробках.

Використовувана в дослідженнях програма розрахунку методом кінцевих елементів "Creep МКЭ" була розроблена проф. Векслером Ю.А.

Розглядалася плоска задача, що вирішувалася з урахуванням повзучості і руйнування елементів розрахункової схеми. Масив і штучні спорудження мали пружно-пластичні властивості.

У ході проведення досліджень, досліджувана область масиву гірничих порід була розбита на 1392 елемента трикутної форми, причому найбільш густа сітка була створена навколо виймальної виробки й охоронних споруджень. Елементи зчленовувалися у 750 вузлах, у яких задовольнялися умови рівноваги й спільності деформацій. Граничні умови в розрахунковій схемі задавалися у вигляді вертикальних уy і горизонтальних уx стискаючих напружень на нескінченності:

уy = гН, уx = лгН, (2)

де г - об'ємна вага, кН/мі;

Н - глибина робіт, м;

л - коефіцієнт бокового розпору.

Нижня границя досліджуваної області закріплювалася. Далі розрахунок вівся варіаційними методами будівельної механіки. Фрагмент розрахункової схеми задачі з граничними умовами приведений на рис. 5.

З метою забезпечення адекватності моделі реальному об'єкту, вибір вихідних даних для розрахунку базувався на фізико-механічних характеристиках елементів розрахункової схеми, отриманим по геологічним даним шахти і показниках граничних станів елементів масиву гірничих порід. У результаті розрахунків аналізувалися вертикальні нормальні і дотичні напруження в елементах, вертикальні і горизонтальні зміщення вузлових точок, деформації порід покрівлі й підошви, а також граничні стани (руйнування) за умовою Кулона-Мора і максимальних розтягуючих головних напружень.

Для вивчення впливу параметрів конструкції (відстані від контуру виробки до "жорсткого" елемента охоронного спорудження l, його ширини b і ширини породної смуги В) і механічних властивостей (жорсткості E) комбінованого охоронного спорудження на стійкість виробок, проведених за очисним вибоєм, було відпрацьовано 50 моделей.

Загальна ширина комбінованого охоронного спорудження змінювалася від 5 до 25 м. Відстань від контуру виробки до "жорсткого" елемента охоронного спорудження в ході моделювання складало 0,5; 2; 5; 10 і 20м. Ширина "жорсткого" елемента охоронного спорудження була зафіксована на трьох рівнях 1 м, 2 м і 5 м. Жорсткість задавалася модулем пружності охоронного спорудження і складала 2000, 5000, 8000 і 15000 МПа.

У результаті проведених досліджень були отримані залежності величин конвергенції покрівлі й підошви виробки від досліджуваних факторів, а також визначений коефіцієнт конструкції охоронного спорудження, що враховує параметри конструкції і механічні властивості охоронного спорудження, який визначається формулою (3).

, (3)

де kl - коефіцієнт місця розташування "жорсткого" елемента охоронного спорудження, kl = 0,88 - 1;

kЕ - коефіцієнт жорсткості охоронного спорудження, kЕ = 0,94 - 1;

kb - коефіцієнт ширини "жорсткого" елемента охоронного спорудження,

kb = 0,94 - 1;

kВ - коефіцієнт ширини породної смуги, kВ = 0,62 - 1,23.

Висока збіжність розрахункових і обмірюваних величин конвергенції в 20 виробках шахт Донбасу дозволяє судити про достатню надійність методу урахування конструкції штучного спорудження.

Проведені дослідження дозволяють зробити наступні висновки:

1. Наявність "жорсткого" елемента охоронного спорудження поблизу контуру виробки приводить до зменшення конвергенції на 10-20% (у залежності від його міцності й ширини), а його розташування з віддаленням всередину охоронного спорудження не приводить до істотної зміни конвергенції.

2. Збільшення ширини "жорсткого" елемента охоронного спорудження на 1м приводить до зменшення конвергенції на 1%.

3. Зі збільшенням міцності "жорсткого" елемента конвергенція зменшується по степеневому закону (збільшення модуля пружності "жорсткого" елемента з 2000 МПа (дерев'яне багаття, породна смуга) до 8000 МПа (блоки БЖБТ) приводить до зниження конвергенції на 12%, а збільшення до 15000 МПа (лита бетонна смуга) - на 15%.

4. Зі збільшенням загальної ширини охоронного спорудження конвергенція зменшується. Однак це зменшення не пропорційне, а підкоряється степеневому розподілу U = 594,8·В-0,4 (В - ширина охоронного спорудження, м).

Отримані залежності використані для удосконалення методики прогнозу конвергенції виробок, проведених за очисним вибоєм.

Четвертий розділ присвячений розробці й обґрунтуванню методу прогнозу конвергенції покрівлі і підошви. У ньому були узагальнені результати натурних спостережень і математичного моделювання.

Запропонований метод прогнозу відрізняється від існуючих тим, що в ньому враховується вплив часу існування виробки, конструкції комбінованого охоронного спорудження, неоднорідності і якості виконання технологічних операцій, а також флуктуації геологічних умов.

Розрахунок величини конвергенції покрівлі і підошви виробок, проведених слідом за очисним вибоєм, у розглянутих діапазонах умов розташування виробок, пропонується робити по формулі (4).

(4)

де U - конвергенція покрівлі і підошви виробки, мм;

Н - глибина ведення робіт, м;

Rcу - середньозважена міцність порід з урахуванням частки участі окремих пластів у загальній масі порід, що зміщуються та формують навантаження на кріплення, МПа;

t - час перебування виробки в зоні залишкового гірничого тиску, міс;

К - поправочний коефіцієнт, що розраховується по формулі (5).

, (5)

km - коефіцієнт товщини вугільного пласта, km = 0,7 - 1,15;

kкон - коефіцієнт конструкції охоронного спорудження;

kос - коефіцієнт щільності установки основного кріплення, kос = 0,5 - 1;

kпос - коефіцієнт щільності установки кріплення посилення, kпос = 0,5 - 1;

kS - коефіцієнт перетину виробки, kS = 0,65 - 1,45;

kн - коефіцієнт неоднорідності зміщень по довжині виробки, kн =1,3.

Приведена формула застосовна для наступних гірничо-геологічних умов закладення виробки: глибина розробки - 150 - 1300 м, товщина пласта - 0,7 - 1,6 м, середня міцність порід на одноосьовий стиск - 40 - 70 МПа, швидкість ведення очисних робіт - 13 - 62 м/міс.

Однак велика різноманітність природних умов (наприклад, початкової тріщинуватості) і гірничотехнічних факторів (наприклад, якість ведення робіт), що впливають на стан підготовчих виробок, не дозволяє зробити зовсім точний прогноз можливих зміщень контуру виробок.

Перераховані вище недоліки методу можуть бути зведені до мінімуму шляхом застосування на шахтах гірничо-статистичного методу коректування величин прогнозованої конвергенції покрівлі і підошви виробок. Суть даного методу полягає у тому, що прогнозовані величини зміщень і величини, отримані в результаті маркшейдерських спостережень, порівнюються і визначається поправочний коефіцієнт і довірчий інтервал. З метою спрощення задачі, розроблений пакет програм на ЕОМ.

Для порівняння отриманих результатів з існуючими методами прогнозу конвергенції покрівлі і підошви виробок, проведених за очисним вибоєм, була побудована порівняльна діаграма (рис. 6).

Порівняння проводилося для умов охорони конвеєрного штреку 1-й західної лави шахти ім. О.О. Скочинского (глибина розробки - 1200 м, товщина вугільного пласта - 1,4 м, спосіб охорони - однобічна бутова смуга).

Як випливає з рисунку 6, розроблений метод не суперечить методу ДонВУГІ, але дозволяє прогнозувати величину конвергенції в будь-який час існування вироблення. Методи ВНДМІ і О. Якобі для умов Донбасу дають занижений результат, а метод Бахтіна А.Ф., Сребного М.А. і Зборщика М.П. невірно припускає абсолютно незатухаючі вертикальні зміщення і може бути використаний для розрахунків у зоні залишкового опорного тиску.

Висновки

У дисертації надані узагальнення і рішення актуальної наукової задачі, що полягає у встановленні особливостей зміщення контуру виробок і залежності цих зміщень від основних факторів, що впливають, для прогнозування очікуваної стійкості підготовчих виробок, проведених слідом за лавою, що охороняються штучними спорудженнями перемінної жорсткості на пологих пластах.

Основні наукові і практичні результати роботи:

1. Установлено незатухаючий характер зміщень контуру виробок, проведених за очисним вибоєм.

2. Виробку, проведену слідом за лавою, можна умовно розділити на дві зони: зону активних зміщень контуру виробки і зону загасаючих швидкостей зміщень контуру. Установлено параметри цих зон для досліджених умов.

3. За допомогою математичного моделювання визначений ступінь впливу гірничо-геологічних факторів (глибина розташування виробки, міцність вміщуючих порід і потужність вугільного пласта), а також конструкції і механічних властивостей комбінованого штучного спорудження на величину вертикальної конвергенції у виробках проведених за лавою.

4. Для обґрунтованого вибору кріплення на різних етапах експлуатації виробки необхідно враховувати неоднорідність зміщень по довжині виробки введенням коефіцієнта неоднорідності зміщень контуру по довжині виробки - кн = 1,3.

5. Отримано залежність для прогнозу конвергенції підошви і покрівлі виробок, проведених за очисним вибоєм, де, крім відомих параметрів (глибина, міцність порід, особливості кріплення), враховується: розвиток конвергенції в часі, конструкція комбінованого охоронного спорудження і нерівномірність зміщень контуру по довжині виробки.

8. Розроблено гірничо-статистичний метод прогнозу зміщень у виробках, що дозволяє враховувати різноманітність природних умов (наприклад, початкової тріщинуватості) і гірничотехнічних факторів (наприклад, якість ведення робіт), що впливають на стан підготовчих виробок. Розроблено програму для розрахунку конвергенції покрівлі і підошви виробок, проведених за очисним вибоєм.

Результати роботи у вигляді тимчасової інструкції прийняті для розробки паспортів кріплення виробок, проведених за очисним вибоєм у ДХК "Донвугілля", ДХК "Макіїввугілля" і АП "Шахта ім. О.Ф. Засядька".

Список опублікованих робіт з теми дисертації

1. Гавриш Н.Н., Стулишенко А.Ю. Методика прогноза конвергенции кровли и почвы выработок, проводимых вслед за лавой // Геотехнологии на рубеже XXI века / Под ред. Гребенкина С.С., Бондаренко Ю.В. - Донецк: ДУНПГО. - 2001. Том 2 - С. 66-70.

2. Стулишенко А.Ю., Брагин Е.П. Обоснование с использованием численного моделирования рациональных способов сохранения выработок за лавами в условиях шахт ГХК "Селидовуголь" // Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ. - 2000. № 12. - С. 130-137.

3. Стулишенко А.Ю., Гавриш Н.Н. Горно-статистический метод прогноза смещений в участковых выработках шахт // Известия Донецкого горного института. - 2000. №1. - С. 10-11.

4. Гавриш Н.Н., Стулишенко А.Ю. Особенности процесса конвергенции кровли и почвы выработок, проводимых и поддерживаемых вслед за лавой // Геотехнологии на рубеже XXI века / Под ред. Гребенкина С.С., Бондаренко Ю.В. - Донецк: ДУНПГО. - 2001. Том 2 - С. 56-60.

5. Гавриш Н.Н., Стулишенко А.Ю. Влияние параметров искусственного сооружения на конвергенцию кровли и почвы выработки // Геотехнологии на рубеже XXI века / Под ред. Гребенкина С.С., Бондаренко Ю.В. - Донецк: ДУНПГО. - 2001. Том 2 - С. 60-66.

6. Гавриш Н.Н., Стулишенко А.Ю. Анализ существующих методик прогноза устойчивости выработок проводимых вслед за лавой // Известия Донецкого горного института. - 1999. №1. - С. 76-80

Размещено на Allbest.ru