Обґрунтування параметрів механічного опору породам підошви виїмкових виробок при відпрацьовуванні лав зворотним ходом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Державний вищий навчальний заклад

“Донецький національний технічний університет”

УДК 622.831.3

Обґрунтування параметрів механічного опору породам підошви виїмкових виробок при відпрацьовуванні лав зворотним ходом

Спеціальність 05.15.02 - “Підземна розробка родовищ корисних копалин”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Негрій Сергій Григорович

Донецьк 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Державному вищому навчальному закладі “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України.

Захист дисертації відбудеться “ 12 ” квітня 2007р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої ради Д.11.052.05 у Державному вищому навчальному закладі “Донецький національний технічний університет” за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, навчальний корпус №1, ВАЗ.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Державного вищого навчального закладу “Донецький національний технічний університет” за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, навчальний корпус №2.

Автореферат розісланий “07” березня 2007р.

Вчений секретар спеціалізованої ради Д 11.052.05 д.т.н., проф. В.П. Кондрахін

АНОТАЦІЯ

Негрій С.Г. Обґрунтування параметрів механічного опору породам підошви виїмкових виробок при відпрацьовуванні лав зворотним ходом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02- ”Підземна розробка родовищ корисних копалин” - Державний вищий навчальний заклад “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк, 2007.

Дисертаційна робота присвячена обґрунтуванню параметрів механічного опору породам підошви виїмкових виробок при відпрацьовуванні лав зворотним ходом. У роботі за результатами аналітичних, лабораторних та натурних досліджень визначено параметри підтримання виїмкових виробок без повторного підривання підошви, можлива сфера застосування способу механічного опору видавлюванню порід підошви виїмкових виробок і техніко-економічна ефективність обґрунтованої технології.

Ключові слова: видавлювання порід підошви, підривання підошви, зона зруйнованих порід, дискретне розпірне середовище, механічний опір, коефіцієнт розпушення, кут внутрішнього тертя порід.

ANNOTATION

Sergey J. Negrey. Parameters substantiation of mechanical resistance to rocks of floor of mine workings with a reverse working of a longwall. Manuscript.

Thesis for a scientific degree of candidate of technical science on speciality 05.15.02- ”Underground mining of mineral deposits”- Donetsk National Technical University Ministry of education and science of Ukraine, Donetsk, 2007.

Dissertation is devoted to the parameters substantiation of mechanical resistance to rocks of the floor of mine workings with a reverse working of a longwall. On the grounds of analytical, laboratory and natural research we determined the parameters of roadway maintenance without repeated floor ripping and a possible field of the method application. The method concerns mechanical resistance to the squeezing of rocks of mine workings floor and technical and economical effectiveness of the sustained technology.

The key words: the squeezing of rocks of mine working floor, floor ripping, a zone of the destroyed rocks, discreet distance pile medium, mechanical resistance, loosening factor, corner internal rocks friction.

АННОТАЦИЯ

Негрей С.Г. Обоснование параметров механического отпора породам почвы выемочных выработок при отработке лав обратным ходом. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - ”Подземная разработка месторождений полезных ископаемых”- Государственное высшее учебное заведение “Донецкий национальный технический университет” Министерства образования и науки Украины, г.Донецк, 2007.

Диссертационная работа посвящена обоснованию параметров механического отпора породам почвы выемочных выработок при отработке лав обратным ходом.

В работе защищаются результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса выдавливания пород почвы выемочных выработок.

Выполнен обзор современных представлений о механических процессах в почве выемочных выработок и анализ способов предотвращения выдавливания их пород почвы. Установлена необходимость проведения комплекса специальных исследований, предполагающих учет особенностей механических процессов в дискретной распорной среде, для обоснования малозатратной технологии предотвращения выдавливания пород почвы.

Выполненные лабораторные исследования на моделях из эквивалентных материалов и на структурных моделях позволили получить качественные и количественные показатели влияния средств механического отпора породам почвы на их смещения, подтвердить предположение о принципиальной возможности предотвратить их выдавливание сравнительно небольшими усилиями и определить параметры механического отпора породам с учетом эффекта их самозаклинивания. Установлено, что с уменьшением коэффициента разрыхления пород величина выдавливающих усилий уменьшается, что, в свою очередь, увеличивает вероятность самозаклинивания перемещающихся в полость выработки отдельностей и позволяет максимально использовать несущую способность вмещающего выработку массива.

Проведенные аналитические исследования с целью обоснования параметров способа механического отпора выдавливанию пород почвы в выемочной выработке позволили установить: количественные зависимости необходимых усилий противодействия выдавливанию почвы от основных влияющих факторов: объемного веса и угла внутреннего трения пород, вмещающих выработку, ширины выработки, гранулометрического состава и размера зоны разрушенных пород. Установлено, что при увеличении ширины выработки, объемного веса пород и радиуса зоны разрушенных пород необходимая величина противодействия выдавливанию увеличивается, а при увеличении угла внутреннего трения и гранулометрического состава пород она уменьшается.

Установлено, что необходимая величина механического отпора выдавливанию пород почвы на 23 порядка меньше сил, действующих по периметру ЗРП, и на 12 порядка меньше нагрузок на основную крепь выработки.

Проведенные шахтные испытания способа механического отпора выдавливанию пород почвы выемочной выработки подтвердили результаты аналитических и лабораторных исследований. Установлено, что механическое отпор породам почвы в условиях пласта с11 шахты “Южнодонбасская” №3 обуславливает уменьшение поднятия почвы на 1957% в зависимости от уровня силового воздействия и расстояния до очистного забоя, а его применение после проведения подрывки в условиях пласта l/8 шахты “Лидиевка” позволяет уменьшить последующие смещения почвы на 77%.

На основании проведенных исследований определены параметры и возможная область применения способа механического отпора породам почвы выемочных выработок, и технико-экономическая эффективность обоснованной технологии. В условиях выемочных выработок пласта с11 шахты “Южнодонбасская” №3 наибольший эффект был достигнут в непосредственной близости к очистному забою, когда на почву выработки действовала рассредоточенная нагрузка в 30кПа. Применение средств механического отпора после проведения подрывки почвы в условиях пласта l8/ шахты “Лидиевка” с допустимой величиной механического отпора 18кПа позволило не производить повторной подрывки.

Средства механического отпора выдавливанию почвы будут эффективны в том случае, если шаг их установки не будет более чем в 35 раз превышать размеры отдельностей, вмещающих почву выработки.

Экономический эффект от применения способа механического отпора выдавливанию пород почвы выемочных выработок в условиях пласта с11 шахты “Южнодонбасская” №3 и пласта l8/ шахты “Лидиевка” соответственно составил 16,19грн./м (в ценах 2001г.) и 32,62грн./м (в ценах 2005г.).

Ключевые слова: выдавливание пород почвы, подрывка почвы, зона разрушенных пород, дискретная распорная среда, механический отпор, коэффициент разрыхления пород, угол внутреннего трения пород.

механізм здимання порода стійкість

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Подальший економічний і соціальний розвиток України припускає збільшення видобутку вугілля, що буде реалізовуватися в гірничо-геологічних умовах, які ускладнюються. У зв'язку з цим усе більш актуальною стає проблема збереження стійкості гірничих виробок.

Відомо, що у 70% випадків втрата стійкості виробок відбувається за рахунок здимання порід підошви, більшою мірою це стосується підготовчих виробок.

Існує досить велика кількість способів боротьби із здиманням порід підошви, ефективність і область застосування яких обмежується стадією проведення виробки. Подальше їхнє застосування малоефективне, тому що у процесі експлуатації виробки міняється гірничотехнічна ситуація, що вимагає реалізації інших, адекватних цим умовам заходів, у більшості випадків проведення підривання порід підошви.

Проведення підривання обумовлене малими витратами, але, як показує практичний досвід підтримання виробок, з вийманням порід знижується пасивний опір на підошву і активізується видавлювання.

У зв'язку з цим неможливо обмежитися одноразовим підриванням і виникає необхідність у розробці й обґрунтуванні параметрів маловитратних способів запобігання повторного здимання, сутність яких полягає у створенні силового впливу на підошву виробки, який еквівалентний опору порід, що виймаються.

Тому, метою роботи є обґрунтування параметрів механічного опору породам підошви для збереження їх стійкості при відпрацьовуванні лав зворотним ходом, після порушення рівноважного стану масиву, що вміщує виробку, яке викликане підриванням.

Основні задачі досліджень:

Обґрунтування робочої схеми-гіпотези механізму здимання порід підошви у підготовчій виробці на різних етапах її експлуатації.

Дослідження механізму видавлювання дискретизованих порід підошви у порожнину виробки.

Обґрунтування можливості збереження стійкості порід підошви шляхом механічної протидії процесу їх видавлювання при порушенні рівноважного стану масиву, що вміщує виробку, яке викликане підриванням.

Лабораторне й аналітичне встановлення параметрів механічного опору видавлюванню порід підошви виробки з урахуванням основних впливових факторів.

Розробка способів механічного опору видавлюванню порід підошви у підготовчих виробках при відпрацьовуванні лав зворотним ходом і

проведення їх промислових випробувань.

Розробка рекомендацій із застосування способу механічного опору у підготовчих виробках і встановлення його техніко-економічної ефективності.

Ідея роботи полягає у використанні встановлених закономірностей зсуву підошви виробок після порушення рівноважного стану, викликаного її підриванням, для обґрунтування параметрів механічного опору породам підошви, що забезпечує їхню стійкість.

Об'єктом досліджень є процес видавлювання порід підошви підготовчих виробок при відпрацьовуванні виїмкових ділянок зворотним ходом.

Предметом досліджень є стійкість підготовчих виробок після порушення рівноважного стану масиву, що вміщує виробку, викликаного підриванням.

Методи досліджень: аналіз і науково-технічне узагальнення сучасного стану проблеми видавлювання порід підошви гірничих виробок; методи фізичного моделювання на моделях з еквівалентних матеріалів і на структурних моделях; аналітичні дослідження, проведені із використанням положень механіки сипучих середовищ і будівельної механіки; графоаналітичний метод; візуальні й інструментальні спостереження за проявами гірничого тиску в шахтних умовах; шахтні дослідно-промислові випробування і впровадження способу механічного опору видавлюванню підошви; техніко-економічний аналіз його ефективності; обробка результатів досліджень на ПЕОМ методами математичної статистики.

Зв'язок теми дисертації з планом основних робіт університету. Розробка засобів і способів збереження стійкості гірничих виробок у найбільш складних умовах експлуатації є одним з основних напрямків наукових досліджень Державного вищого навчального закладу “Донецький національний технічний університет”. Дисертаційна робота є частиною досліджень і виконана у рамках держбюджетних науково-дослідних тем (держреєстрація № 0198U002306 і № 0105U002291). У проведенні досліджень автор брав участь як виконавець.

Наукова новизна отриманих результатів:

Вперше теоретично обґрунтована й експериментально підтверджена можливість збереження стійкості порід підошви виробки після порушення рівноважного стану, яке викликане підриванням, створенням механічного опору породам для зміни їх коефіцієнта розпушення і кута внутрішнього тертя, що дозволяє максимально використовувати несучу здатність масиву, що вміщує виробку;

Вперше отримані кількісні залежності механічного опору породам

підошви для збереження її стійкості від основних факторів, що впливають: об'ємної ваги і кута внутрішнього тертя порід, що вміщують виробку, її ширини, гранулометричного складу і розміру зони зруйнованих порід;

Встановлено, що необхідна величина механічного опору породам підошви на 23 порядки менша сил, що діють по периметру зони зруйнованих порід, і на 12 порядки менша навантажень на кріплення виробки.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи підтверджується:

достатнім обсягом лабораторних досліджень і шахтних інструментальних спостережень;

використанням апробованих методів досліджень і методик розрахунку;

коректністю постановки і вирішення завдань із застосуванням фундаментальних положень механіки гірничих порід, дискретного середовища і будівельної механіки;

комплексним поєднанням шахтних, лабораторних, аналітичних і статистичних методів досліджень;

достатньою збіжністю результатів аналітичних і шахтних досліджень (розбіжність результатів не перевищує 7%);

позитивними результатами дослідно-промислових випробувань розробленого способу й оцінкою його ефективності.

Наукове значення роботи полягає у розкритті закономірностей зміни геомеханічних характеристик дискретизованого породного масиву при силовому впливі, які необхідно враховувати при обґрунтуванні параметрів механічного опору процесу видавлювання порід підошви виробок.

Практичне значення роботи міститься у розробці рекомендацій із застосування способу механічного опору породам підошви у виїмкових виробках.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Випробувано спосіб запобігання видавлюванню порід підошви підготовчих виробок шахт “Південнодонбаська” №3 і “Лідієвка” ДП “ДВЕК”, який ґрунтується на принципі механічного опору породам підошви. Застосування розроблених технічних рішень дозволило зменшити величину видавлювання порід підошви. Економічний ефект від застосування способу механічного опору видавлюванню порід підошви виїмкових виробок в умовах пласта с11 шахти “Південнодонбаська” №3 і пласта l8/ шахти “Лідієвка” відповідно склав 16,19 грн./м (у цінах 2001р.) і 32,62 грн./м (у цінах 2005 р.).

Рекомендації з розробленого способу прийняті до використання на цих підприємствах.

Особистий внесок автора. Основні положення і результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно.

Апробація роботи. Наукові і прикладні результати дисертаційної роботи обговорювалися й одержали схвалення на: IV і V науково-практичних конференціях випускників гірничого факультету “Удосконалювання технології видобутку вугілля в глибоких шахтах” (Україна, м.Донецьк, ДонДТУ, грудень 1998р. і квітень 2000р.); міжнародній конференції “Прогресивні технології і системи машинобудування” (Україна, м.Севастополь, ДонДТУ, вересень 2000р.); міжнародних конференціях “Geotechnika-2000” і “Geotechnika-2002” (Польща, м.Глівіце-Устронь, жовтень 2000р. і жовтень 2002р.); міжнародній науково-технічній конференції “Геотехнологія на рубежі XXI століття” (Україна, м.Донецьк, ДонДТУ, травень 2001р.); міжнародній конференції “Машинобудування і техносфера на рубежі XXI століття” (Україна, м.Севастополь, ДонНТУ, вересень 2001р.); науково-технічній міжнародній конференції “Геомеханіка і динамічні прояви гірничого тиску” (Україна, м.Дніпропетровськ, НГАУ, жовтень 2001р.); міжнародних конференціях “VI szkoіa geomechaniki” і “VII szkoіa geomechaniki” (Польща, м.Глівіце-Устронь, жовтень 2003р. і вересень 2005р.); II-й науково-практичній конференції “Донбас-2020: Наука і техніка - виробництву” (Україна, м.Донецьк, ДонНТУ, лютий 2004р.); міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми підземного будівництва і напрямки розвитку тампонажу і закріплення гірничих порід” (Україна, м.Антрацит, СНУ ім. В.Даля, квітень 2006р.); міжнародній науково-практичній конференції “Геотехнології і управління виробництвом XXI століття” (Україна, м.Донецьк, ДонНТУ, травень 2006р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 9 друкованих праць, у тому числі 8- у журналах і збірниках наукових праць, які рекомендовано ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 4 розділів і висновку, містить 131 сторінку машинописного тексту, 78 рисунків, 4 таблиці, список літератури з 165 найменувань і 14 додатків. Загальний обсяг роботи 296 сторінок.

Автор щиро вдячний першому науковому керівнику, доктору технічних наук Ю.В.Бондаренку, співробітникам ДонНТУ за цінні поради і допомогу, що були надані при проведенні досліджень.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Однією з основних проблем вугільних шахт є безремонтне підтримання виїмкових виробок. Втрата стійкості виробок викликана, насамперед, здиманням порід підошви, що являє собою складний процес, обумовлений цілим рядом факторів і протікає по-різному в різних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умовах і на різних етапах існування виробки. Інтенсивні підняття підошви виробок спостерігаються в перші місяці після їх проведення і після ремонтних робіт, більшою мірою пов'язаних з підриванням порід підошви. Існуючі способи запобігання здимання підошви в основному реалізуються на стадії проведення виробок. На стадії їх експлуатації основним способом є підривання підошви, ефективність якого невелика. Це обумовлено тим, що проведення підривання спричиняє порушення сталого рівноважного стану системи “кріплення - зона зруйнованих порід - навколишній породний масив” і, як наслідок, активізацію зсувів порід на контурі виробки і подальше зростання зони зруйнованих порід (ЗЗП). На цьому етапі підошва виробки представлена зруйнованими породами і може бути ідентифікована як сипуче середовище. У цьому випадку відбувається видавлювання зруйнованих порід підошви в порожнину виробки, що є однією з форм здимання підошви і результатом реалізації потенційної енергії тієї частини гірничого масиву, що втягнена в деформаційний процес при веденні гірничих робіт. Ця обставина свідчить про необхідність розробки способів запобігання (зменшення) видавлюванню порід з урахуванням особливостей геомеханічних процесів у підошві виїмкових виробок після проведення підривання.

До цього часу проведений значний обсяг теоретичних і експериментальних досліджень, присвячених вирішенню проблеми забезпечення стійкості виїмкових виробок. Значний внесок у її розвиток внесли Г.В. Бабіюк, А.П. Борзих, С.М. Гапєєв, В.Т. Глушко, В.М. Городничев, А.В. Гурдус, Ю.З. Заславський, М.П. Зборщик, М.М. Касьян, К.В. Кошелєв, Г.Г. Литвинський, В.А. Литкін, О.П. Максимов, В.В. Назимко, Є.І. Піталенко, А.М. Роєнко, К.В. Руппенейт, В.Д. Слесарєв, Б.М. Усаченко, П.М. Цимбаревич, І.Л. Черняк, О.М. Шашенко, М.Н. Шейхет та інші дослідники.

У першому розділі “Стан вивченості питання запобігання видавлювання порід підошви у виїмкові виробки у зоні впливу очисних робіт. Мета, задачі, методика досліджень” проведений аналітичний огляд сучасних уявлень про механізм здимання підошви виробки і розглянуті можливі і вживані способи його запобігання. До цього часу сформувалася досить чітка картина геомеханічних процесів у підошві виробки і розроблений широкий спектр технологій боротьби із здиманням порід. Разом із тим, недостатньо враховуються особливості механізму видавлювання. Практично не досліджений механізм видавлювання порід у випадку, коли середовище ідентифікується як дискретне розпірне (сипуче).

У зв'язку з цим були сформульовані мета роботи й основні задачі досліджень.

В другому розділі “Лабораторні дослідження механізму видавлювання порід підошви гірничих виробок і визначення параметрів способу механічного опору цьому процесу” приведені результати лабораторних досліджень на моделях із еквівалентних матеріалів і на структурних моделях.

При моделюванні з використанням еквівалентних матеріалів були відпрацьовані дві моделі, які відрізнялися одна від одної тим, що в одній не застосовувалися, а в іншій застосовувалися засоби механічного опору породам підошви виробки (гнучкі поперечні стяжки по підошві).

Моделювалися гірничо-геологічні умови пласта с11 шахти “Південнодонбаська” №3. Для дослідження були виконані дві плоскі моделі довжиною 0,75 м, висотою 0,52 м і товщиною 0,16 м у лінійному масштабі 1:50. У моделях як наповнювач використовувався кварцовий пісок, а як зв'язувальні - парафін і каніфоль. Підбор фізико-механічних характеристик еквівалентного матеріалу здійснювався за відомою методикою Г.М. Кузнецова.

Аналіз результатів моделювання показав, що частка зсувів підошви від загальних вертикальних зсувів контуру виробки в моделях без застосування і з застосуванням засобів механічного опору видавлюванню підошви виробки в середньому склала відповідно 44 та 18%, а зсуви підошви за час їх відпрацьовування досягли значень, у перерахуванні на натуру відповідно 0,4 та 0,12м. Ці результати підтвердили технічну можливість збереження стійкості порід підошви за рахунок застосування механічного опору.

Зменшення зсувів підошви застосуванням засобів механічного опору є результатом самозаклинювання порід, що підстилають виробку. Самозаклинювання порід обумовлюється збільшенням внутрішнього тертя їх окремостей унаслідок виникнення в них додаткових стискаючих напруг від дії на них сил, як з боку масиву, так і з боку засобів механічного опору.

Тому метою моделювання на структурних моделях було визначення параметрів механічного опору породам підошви з урахуванням ефекту їх самозаклинювання і містило в собі чотири етапи.

Основною причиною видавлювання порід підошви після підривання є вага порід, що залягають над виробкою і в її боках у межах зони зруйнованих порід, а також сили, що виникають по периметру цієї зони. Тому перший етап моделювання на структурних моделях був присвячений встановленню епюри вертикального тиску на горизонтальну площину в боці виробки в межах ЗЗП.

Моделі були у вигляді півкола, дуга якого імітувала границю ЗЗП, і на прямолінійній ділянці якого розміщалися: у центрі - виробка, а з боків від неї - датчики для визначення вертикального тиску від ваги порід, якими заповнювалися моделі, і дії навантаження по периметру зони зруйнованих порід.

При моделюванні були дотримані критерії подоби реальним умовам і прийнятий масштаб моделювання 1:50.

У процесі відпрацьовування моделей змінювалися такі параметри: розмір зони зруйнованих порід rз=1,2; 2,5; 3,4; 4,6rв (де rв- радіус виробки, м) і величина зовнішнього навантаження по границі зони зруйнованих порід q= 9,8; 19,6 і 29,5 кПа.

Були отримані графіки розподілу вертикального тиску в боках виробки на рівні підошви в межах зони зруйнованих порід (рис. 1) при різному сполученні радіуса цієї зони і величини зовнішнього навантаження по її периметру, з яких установлено, що зміна вертикального тиску в межах ЗЗП відбувається за законом близьким до лінійного і його епюра має вид трапеції (максимальна величина знаходиться біля границі ЗЗП і не перевищує 0,85q) і визначається виразом

, (1)

де Рд- вертикальний тиск на горизонтальну площину в межах ЗЗП, МПа; q- тиск по периметру ЗЗП, що виникає в результаті порушення рівноваги в межах цієї зони, МПа; a, b- коефіцієнти, що визначають характер зміни тиску у межах ЗЗП; rв- радіус виробки, м.

Самозаклинювання порід, що підстилають виробку, виявляється у вигляді їх ущільнення і збільшення кута внутрішнього тертя.

Тому метою другого етапу моделювання на структурних моделях було встановлення залежності зусиль, які видавлюють, що характеризуються коефіцієнтом бічного тиску, від ступеня ущільнення сипучих порід, що виражається зміною коефіцієнта розпушення.

У моделях кубічної форми знаходилася порода і шляхом визначення поточної об'ємної ваги порід і бічного тиску від дії вертикального навантаження було встановлено залежність коефіцієнта бічного тиску порід від коефіцієнта їх розпушення (рис. 2)

З отриманої залежності випливає, що при зменшенні коефіцієнта розпушення порід коефіцієнт зменшується, а, отже, зменшуються зусилля, що видавлюють, і при деякій величині вони можуть бути цілком виключені.

Ущільнення порід, що підстилають виробку, і тим самим збереження їх стійкості можливе за рахунок застосування засобів механічного опору.

Тому метою третього етапу моделювання на структурних моделях було встановлення впливу величини механічного опору на величину зсувів порід підошви.

Моделі були у виді кола, що імітувало ЗЗП і в центрі якого розташовувалася виробка. Між виробкою і контуром “зони зруйнованих порід” знаходилася порода.

Відпрацьовування моделей полягало в прикладанні навантаження по периметру ЗЗП q і визначенні зсувів підошви виробки U при різних величинах механічного опору Pоп. по її поверхні. При цьому змінювалися величини q і Роп. відповідно від 9,8 до 235,4кПа і від 0 до 0,654кПа.

За результатами третього етапу було встановлено залежність величини видавлювання порід підошви в порожнину виробки U від величини механічного опору Роп. цьому процесу при формуванні зони зруйнованих порід навколо виробки (рис. 3), з якої випливає, що зі збільшенням опору, що прикладається до підошви виробки, зменшується величина її зсувів, причому значення механічного опору на 23 порядки менше сил, що діють по периметру ЗЗП.

Четвертий етап моделювання був присвячений визначенню щільності установки засобів механічного опору по підошві виробки.

Як засіб механічного опору в моделях даного етапу були прийняті металеві лежні, що встановлювалися по ширині виробки і жорстко защемлялися біля її боків.

Було відпрацьовано 20 моделей з масштабом моделювання 1:50 при різних гранулометричному складі досліджуваного матеріалу (dф=0,21,0, 2,05,0, 6,010,0 і 315 мм) і відстані між лежнями (l =10, 20, 35, 75, 115 мм).

Відпрацьовування моделей полягало в прикладанні горизонтального навантаження на об'єм породи і вимірі величини видавлювання верхнього шару досліджуваного матеріалу при його різному фракційному складі і зміні кроку установки лежнів.

Результати четвертого етапу дозволили установити кількісну залежність величини видавлювання дискретизованого матеріалу при різних щільності установки лежнів і гранулометричному складі порід (рис. 4). З рисунка 4 випливає, що при кроці установки засобів механічного опору, який не перевищує 35-ти кратного розміру породних фрагментів, що вміщають підошву виробки, відбувається їхнє самозаклинювання і практично виключаються зсуви.

У третьому розділі “Аналітичне обґрунтування параметрів способу механічного опору видавлюванню підошви виїмкової виробки” дисертаційної роботи викладені основні принципи формування фізичної моделі видавлювання у виробку порід підошви й аналітично визначені силові параметри цього процесу.

У тих випадках, коли підошва виробки подана дискретним розпірним середовищем для вирішення завдань, доцільне використання положення теорії граничної рівноваги для сипучих середовищ, які розвинуті В.В.Соколовським, тому що вони дають можливість визначити компоненти напруги в сипучому середовищі, що знаходиться в граничній рівновазі.

З використанням цих положень було розроблено алгоритми розрахунку напруг у породах, що підстилають, від дії однієї пригрузки Р, заданої уздовж негативної півосі y і описуваної виразом (1), нормальних напруг q* уздовж позитивної півосі y, при яких сипуче середовище, зберігає граничну рівновагу (рис. 5) і напруг у породах, що підстилають виробку, під дією двох симетрично розташованих пригрузок з боків від виробки.

Крім того, з використанням результатів досліджень Ю.З.Заславського і М.М. Касьяна, було отримано вирази з визначення навантажень на кріплення виробки і по периметру ЗЗП від порушення рівноваги системи “кріплення - зона зруйнованих порід - навколишній породний масив”, що мають вигляд:

, (2)

. (3)

де - об'ємна вага порід, що вміщають ЗЗП, т/м3; rв- радіус виробки, м; U1- зсуви покрівлі виробки до проведення ремонтних робіт, м; U2- зсуви покрівлі виробки, спричинені проведенням ремонтних робіт, у тому числі підриванням, а також веденням очисних робіт, м; kп- коефіцієнта передачі навантаження на кріплення від фронту руйнування через ЗЗП, який залежить від гранулометричного складу і розміру цієї зони.

Також встановлено залежність величини механічного опору породам підошви від основних впливових факторів (об'ємної ваги і кута внутрішнього тертя порід, що уміщають виробку, її ширини, а також коефіцієнта передачі навантаження, який залежить від гранулометричного складу і розміру зони зруйнованих порід) і має вигляд

, (4)

де кут внутрішнього тертя порід, рад.

У результаті факторного аналізу для умов, у яких знаходяться виїмкові виробки пласта с11 шахти “Південнодонбаська” №3, отримано залежності величини опору видавлюванню порід підошви гірничих виробок від факторів, що впливають, (рис. 6), з яких випливає, що при збільшенні ширини виробки, об'ємної ваги порід і розміру зони зруйнованих порід необхідна величина протидії видавлюванню збільшується, при збільшенні ж кута внутрішнього тертя порід і їх гранулометричного складу величина протидії зменшується.

Для умов виїмкових виробок шахт “Південнодонбаська №3” і “Лідієвка” ДП “ДВЕК” з (2)-(4) встановлено, що величина механічного опору видавлюванню порід підошви qп на 23 порядки менше сил q, які діють по периметру ЗЗП (рис. 7), що підтвердило результати лабораторних досліджень, а також на 12 порядки менше навантажень на кріплення виробки qк (відповідно для шахт “Південнодонбаська №3” і “Лідієвка”: qп= 3,5 і 0,9кПа, q= 530 і 120кПа, qк= 150 і 100кПа).

Четвертий розділ “Шахтні випробовування способу механічного опору видавлюванню порід підошви виїмкових виробок” дисертаційної роботи присвячений натурним дослідженням, що були проведені на підставі результатів проведених аналітичних і лабораторних досліджень.

Випробування проводилися в трьох виробках: вентиляційному і конвеєрному ходках відповідно 4-ої і 5-ої східних лав пласта с11 шахти “Південнодонбаська” №3 і конвеєрному штреку 7-ої східної лави пласта l8/ шахти “Лідієвка”.

У вентиляційній виробці 4-ої східної лави пласта с11 було виділено ділянку довжиною 40м, на якій обладнали 38 контурних замірних станцій з кроком їх установки 1,6 і 0,8м. Спостереження за зсувами порід контуру виробки на замірній ділянці було розпочато за 140м до лави від першої станції, а закінчено в 105м від останньої станції після проходу очисного вибою.

У виробці під час проведення інструментальних спостережень за зсувами порід підошви на частині замірної ділянки (у місці розташування замірних станцій № 7-38), коли остання знаходилася в 100м від лави, був розташований ешелон енергопоїзда сумарною вагою близько 30т і загальною довжиною 28м. За час перебування устаткування енергопоїзда на замірній ділянці очисний вибій наблизився до станцій на 80м. Зсуви порід підошви за час перебування на ділянці, де знаходився ешелон енергопоїзда, були лише на 4% менше зсувів на іншій частині замірної ділянки (без присутності устаткування), що вказало на неефективність протидії вагою енергопоїзда через нерозподілене навантаження від нього по ширині виробки і, крім того, ділянка знаходилася в зоні тимчасового опорного тиску перед лавою і тому величини опору на даній ділянці було явно не досить. Дані висновки вказали на необхідність прикладання по поверхні підошви виробки розподіленого навантаження, що і було прийнято надалі при випробуваннях способу механічного опору в інших виробках.

У конвеєрній виробці 5-ої східної лави пласта с11 було виділено три замірних ділянки. На першій ділянці (контрольній) довжиною 16м не передбачалося застосування засобів механічної протидії підняттю порід підошви, а на двох інших (1-ій і 2-ій експериментальній ділянках) довжиною по 12м такі засоби застосовувалися. Ділянки були обладнані контурними замірними станціями.

Із міркувань технічної здійснюваності і доступності, з точки зору вартості як засіб механічного опору підняттю порід підошви виробки на експериментальних ділянках по підошві виробки встановлювалися металеві канати (по 14 на кожній ділянці) діаметром 0,045м (рис.8). Початковий натяг канатів складав близько 10кН.

Крок установки канатів визначався відповідно до гранулометричного складу порід, що вміщають підошву виробки, і склав 0,8м.

Крім установки канатів на 1-ій експериментальній ділянці було передбачене розміщення ешелону енергопоїзда в 80м від лави сумарною вагою більшою ніж 20т і довжиною 20м. Розподілений тиск від його ваги на підошву через шпали рейкового шляху склав 26кПа, а величина механічного опору породам підошви разом з канатами 30кПа.

Зіставлення зсувів і швидкостей зсувів контуру підошви на контрольній і експериментальних ділянках конвеєрної виробки 5-ої східної лави пласта с11 (рис. 9) свідчить про зменшення їх величин при застосуванні засобів механічного опору. Зсуви в зоні впливу очисних робіт на 1-ій і 2-ій експериментальних ділянках у порівнянні з контрольною зменшилися відповідно на 57 і 19 %.

Величина тиску з боку підошви за результатами вимірів поза зоною впливу очисних робіт у цій виробці склала 3,76кПа. Таким чином, розбіжність результатів аналітичних і шахтних досліджень застосування засобів механічного опору породам підошви не перевищує 7%.

Зсуви на експериментальних ділянках мали місце через недостатню твердість засобів механічного опору і вплив очисних робіт. Але з наближенням лави ефективність механічного опору збільшувалася. Так на експериментальних ділянках у 50м від очисного вибою зсуви підошви виробки були на 45% менші, ніж на контрольній, а при відстані до лави 5м зсуви на першій експериментальній ділянці в порівнянні з контрольною були менші на 57%. Це свідчить про те, що заходи, які базуються на механічному опорі видавлюванню порід підошви, найбільш ефективні у найбільш складній технологічній зоні.

У конвеєрному штреку 7-ої східної лави пласта l8/ шахти “Лідієвка” були виділені дві ділянки: контрольна і експериментальна відповідно без і з засобами механічного опору породам підошви виробки і довжиною 12 і 10м.

На цих ділянках здійснювалося підривання на величину 1,1м. Крім того, на експериментальній - слідом за підриванням на підошву по ширині виробки з попереднім розпором установлювалися 12 металевих лежнів (рис.10), величина опору яких складала 18кПа, а крок установки - 0,85м (за результатами розрахунків повинний бути не більш 0,95м).

На ділянках були підготовлені контурні замірні станції, по яких проводилися нівелювання і виміри відповідно до методики ВНДМІ.

На контрольній ділянці після проведення підривання було відзначено активізацію зсувів порід підошви і подальше їхнє підняття з моменту підривання на величину 0,41м, після чого було проведене повторне підривання. На експериментальній - після установки лежнів слідом за підриванням зсуви підошви склали в середньому 0,09м (на 77% менше, ніж на контрольній ділянці) і це дозволило не робити повторне підривання (рис.11). Наявність зсувів підошви на експериментальній ділянці було обумовлене деякою піддатливістю опорних стійок, яка викликана проколюванням зруйнованих порід у боках виробки.

Економічний ефект від застосування способу механічного опору породам підошви у виїмкових виробках в умовах пласта с11 шахти “Південнодонбаська” №3 і пласта l8/ шахти “Лідієвка” відповідно склав 16,19грн./м (у цінах 2001р.) і 32,62грн./м (у цінах 2005р.).

ВИСНОВОК

У дисертаційній роботі дано вирішення актуального науково-технічного завдання, що полягає в обґрунтуванні параметрів механічного опору породам підошви виїмкових виробок при відпрацьовуванні лав зворотним ходом на підставі встановлених закономірностей зміни геомеханічних характеристик дискретизованого породного масиву при силовому впливі.

Основні наукові і практичні результати роботи:

Розширено уявлення про механічні процеси, що відбуваються в підошві виїмкової виробки після порушення рівноважного стану масиву, який вміщує виробку, викликаного підриванням, при відпрацьовуванні лав зворотним ходом.

Розширено уявлення про механічні процеси в дискретизованих породах підошви виїмкових виробок з урахуванням ефекту самозаклинювання в дискретному розпірному середовищі, яке представлене породами підошви, проявами якого обумовлене запобігання їх повторному видавлюванню за допомогою відносно невеликих механічних протидій.

Встановлено, що зі зменшенням коефіцієнта розпушення порід величина зусиль, що видавлюють, зменшується, що, у свою чергу, збільшує імовірність самозаклинювання окремостей, які переміщаються в порожнину виробки. Ущільнення порід, що підстилають виробку, і тим самим збереження їх стійкості можливе за рахунок застосування засобів механічного опору.

Отримано експериментально-аналітичні залежності величини необхідного механічного опору породам підошви гірничих виробок від основних впливових факторів: об'ємної ваги і кута внутрішнього тертя порід, що уміщають виробку, її ширини, гранулометричного складу і розміру зони зруйнованих порід.

Встановлено, що при збільшенні ширини виробки, об'ємної ваги порід і радіуса зони зруйнованих порід необхідна величина протидії видавлюванню збільшується, а при збільшенні кута внутрішнього тертя і гранулометричного складу порід вона зменшується.

Встановлено, що необхідна величина механічного опору видавлюванню порід підошви на 23 порядки менша сил, що діють по периметру ЗЗП, і на 12 порядки менша навантажень на основне кріплення виробки.

Для умов виїмкових виробок пласта с11 шахти “Південнодонбаська” №3 і пласта l/8 шахти “Лідієвка” визначена необхідна величина механічного опору породам підошви, що склала відповідно 3,5 і 0,9кПа.

Експериментально встановлено залежність між величиною механічного опору і зсувами порід підошви. В умовах пласта с11 шахти “Південнодонбаська” №3 застосування металевих канатів як засобів механічного опору з величиною опору 3,830кПа дозволило зменшити зсуви порід підошви на 1957%. В умовах пласта l8/ шахти “Лідієвка” застосування металевих лежнів з СВП-22 з величиною опору 18кПа дозволило зменшити зсуви підошви на 77%.

Максимальна ефективність засобів механічного опору забезпечується при кроці їх установки, який не перевищує 35-ти кратного розміру породних фрагментів, що вміщають підошву виробки.

Економічний ефект від застосування способу механічного опору породам підошви виїмкових виробок в умовах пласта с11 шахти “Південнодонбаська” №3 і пласта l8/ шахти “Лідієвка” відповідно склав 16,19грн./м (у цінах 2001р.) і 32,62грн./м (у цінах 2005р.).

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ У ТАКИХ РОБОТАХ

1. Соловьев Г.И., Негрей С.Г. Об особенностях пучения почвы выемочных выработок в условиях шахты “Южнодонбасская” №3 // Известия Донецкого горного института.- 1999.- №3.- С.38-42.

2. Бондаренко Ю.В., Соловьев Г.И., Негрей С.Г., Мороз О.К. Моделирование механических процессов в породах почвы подготовительной выработки // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов.- Донецк: ДонГТУ.- 2000.- вып. 11.- С.105-109.

3. Бондаренко Ю.В., Соловьев Г.И., Негрей С.Г., Кублицкий Е.В. Влияние плотности разрушенного породного массива на устойчивость выработки // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины.- Днепропетровск.- 2001.- №12.- Т.2.- С.91-95.

4. Негрей С.Г. О возможности предотвращения повторного пучения пород почвы горных выработок после их подрывки // Вісті Донецького гірничого інституту.- 2005.- №2.- С.65-68.

5. Касьян Н.Н., Негрей С.Г., Сахно И.Г. О влиянии механического отпора выдавливанию пород почвы горных выработок на их смещения // Разработка рудных месторождений.- Кривой Рог.- 2004.- №87.- С.28-29.

6. Касьян Н.Н., Негрей С.Г., Сахно И.Г. Установление характера перераспределения вертикального давления в боках выработки в пределах зоны разрушенных пород // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: “Гірничо-геологічна”. Випуск 111. Том 2- Донецьк: ДонНТУ.- 2006.- С.14-18.

7. Соловьев Г.И., Негрей С.Г., Кублицкий Е.В. Опытно-промышленная проверка способа локализации выдавливания пород почвы // Геотехнологии на рубеже XXI века.- Донецк: ДУНПГО.- Т.1.- 2001.- С.63-68.

8. Негрей С.Г., Касьян Н.Н. Расчет необходимой величины механического отпора выдавливанию пород почвы горной выработки // Геотехнологии и управление производством XXI век.- Донецк: ДонНТУ.- Т.1.-2006.- С.122-127.

9. Негрей С.Г. Результаты испытаний способа предотвращения повторного пучения пород почвы горной выработки // Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород: Материалы научно-практической конференции.- Луганск: Изд-во Восточноукраинского национального университета им. В.Даля.- 2006.- С.202-206.

Размещено на Allbest.ru