Взаємозв'язок деформацій контуру дільничних виробок з параметрами зсуву надвугільної товщі на шахтах західного Донбасу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.15.09 - “Геотехнічна і гірнича механіка”

Взаємозв'язок деформацій контуру дільничних виробок з параметрами зсуву надвугільної товщі на шахтах західного Донбасу

Бубнова Олена Анатоліївна

Дніпропетровськ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Четверик Михайло Сергійович, завідувач відділу геомеханічних основ технології розробки родовищ Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Софійський Костянтин Костянтинович, завідувач відділу проблем розробки технологій вугільних родовищ Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ)

кандидат технічних наук, Медяник Володимир Юрійович доцент кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету МОН України (м. Дніпропетровськ)

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради канд. техн. наук В.Г. Шевченко

Анотація

Бубнова О.А. „Взаємозв'язок деформацій контуру дільничних виробок з параметрами зсуву надвугільної товщі на шахтах Західного Донбасу”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.09 - „Геотехнічна і гірнича механіка”. Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, Дніпропетровськ, 2008.

Дисертаційна робота присвячена встановленню взаємозв'язку деформацій контуру дільничних виробок і геомеханічних процесів зрушення надвугільної товщі в зоні впливу очисних робіт.

Запропонована модель взаємозв'язку зрушення земної поверхні і зсувів контурів виробок у зонах впливу очисних робіт дозволила встановити горизонтальні зрушення і деформації в мульді зрушення, величину осадки вугільного пласту при керуванні покрівлею повним обваленням, горизонтальні і вертикальні зсуви контурів виробок, зони впливу очисних робіт на стан виробок, тривалість активних деформацій контурів виробок.

На основі цих наукових положень розроблено методику розрахунку зсувів контурів дільничних виробок і вибору напрямку ведення очисних робіт щодо простягання пласта.

Розроблена модель взаємозв'язку між параметрами зрушення гірського масиву і деформаціями виробок, розташованих у ньому, підтверджена результатами інструментальних спостережень на шахтах "ВАТ "Павлоградвугілля".

Ключові слова: зсув, надвугільна товща, деформації, очисний вибій, дільнична виробка, методика.

Аннотация

надвугільний виробка лава гірський

Бубнова Е.А. “Взаимосвязь деформаций контура участковых выработок с параметрами сдвижения надугольной толщи на шахтах Западного Донбасса”. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.15.09 - "Геотехническая и горная механика". Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины, Днепропетровск, 2008.

Диссертационная работа посвящена установлению взаимосвязи деформаций контура участковых выработок и геомеханических процессов сдвижения надугольной толщи в зоне влияния очистных работ и на их основе разработке методики расчета ожидаемых деформаций контура выработок, выбора мест их заложения и направления ведения очистных работ при планировании развития шахт.

В работе исследованы закономерности формирования горизонтальных сдвижений и деформаций на земной поверхности на основе дополнения послойной блочной теории сдвижения. Установлено, что горизонтальные смещения в мульде сдвижения при выемке горизонтального пласта получаются как за счет оседания земной поверхности, которая приводит к увеличению длины мульды сдвижения в его главном сечении относительно первоначального, так и за счет деформаций растяжения. Обоснованы аналитические зависимости по определению горизонтальных деформаций растяжения и сжатия на земной поверхности и в массиве горных пород, который окружает горную выработку. Установлено, что вокруг подготовительной выработки образуются две разнонаправленные зоны деформаций растяжения. При этом определено, что с увеличением глубины разработки и прочности пород величины деформаций растяжения и сжатия уменьшаются. Среднее линейное отклонение расчетных величин от измеренных составляет для деформаций растяжения 27,2 %, для деформаций сжатия - 31,4 %.

Рассмотрены закономерности соотношения между скоростью развития деформаций растяжения в массиве и скоростью подвигания очистного забоя, изменение которого приводит к трем различным проявлениям горного давления и на их основе предложены зависимости по установлению усадки угольного пласта, которые учитывают ускорение, начальную скорость и время опускания кровли. Рассмотрено влияние скорости подвигания очистного забоя на деформационные процессы в участковых выработках.

Предложена и обоснована модель взаимосвязи сдвижений и деформаций на земной поверхности и смещений контуров выработок в зонах влияния очистных работ. На ее основе установлены зависимости по определению горизонтальных и вертикальных смещений контура горных выработок, определены участки подготовительных выработок, подверженных влиянию очистных работ, установлена взаимосвязь между продолжительностью деформаций контуров выработок и продолжительностью процесса сдвижения надугольной толщи.

Установлено, что на величину смещения контура выработок влияет направление ведения горных работ относительно залегания угольного пласта, при этом наименьшие величины смещения контура выработок при проведении их по падению или восстанию для горизонтально залегающего пласта и по простиранию - для наклонного пласта.

Обоснование зон влияния лавы на состояние участковых выработок произведено на основе взаимосвязи между скоростью подвигания очистного забоя и скоростью развития деформаций растяжения в надугольной толще. Аргументированы зависимости по определению продолжительности деформаций выработок в различных зонах.

Для подтверждения разработанной модели взаимосвязи между параметрами сдвижения надугольной толщи и деформациями контура выработок, расположенных в ней, проведены совмещенные наблюдения на шахтах "Благодатная" и "Самарская" ОАО "Павлоградуголь" за процессом сдвижения на земной поверхности и в участковых выработках.

Проведенные наблюдения показали достаточно высокую сходимость аналитических и инструментальных величин смещений контура выработок, участков усиленного влияния лавы, продолжительности деформаций выработок. Средние погрешности составляют от 10 до 30 %.

На основе проведенных исследований разработана методика “Определение смещений контуров подготовительных выработок при различном их расположении в сдвигающемся массиве” для условий шахт Западного Донбасса, в основу которой положена установленная взаимосвязь параметров процесса сдвижения надугольной толщи и смещений контура участковых выработок.

Использование разработанной методики разрешает обосновать выбор места закладки участковых выработок в сдвигающемся массиве и направления ведения очистных работ относительно простирания пласта, что в совокупности позволяет повысить устойчивость выработок и использовать их повторно без существенных ремонтных работ. Ожидаемый экономический эффект составляет 508,85 грн / п.м.

Основное содержание работы отображено в 14 научных трудах.

Ключевые слова: сдвижение, надугольная толща, деформации, очистной забой, участковая выработка, методика.

The summary

Bubnova Y.А. " Interrelation of deformations of preparatory developments working contour of with parameters displacement of rock mass on Western Donbass mines". - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.15.09 - "The geotechnical and mining mechanics ". Institute of the geotechnical mechanics by name N.S. Polyakov NAS of Ukraine, Dnipropetrovs'k, 2008.

The dissertation work is devoted to an establishment of interrelations of parameters of stability of developments working and geomechanical displacement processes of a rock mass in zones of influence of breakage works.

The offered model of interrelation displacement of a ground and displacement of developments working contours in zones of breakage face influence has allowed to establish horizontal displacements and deformation in a displacement mould, size of a seam shrinkage at management of a roof complete caving, horizontal and vertical displacements of developments workings contours, zone of influence of breakage faces on a state of developments workings, duration of active deformations of contours of developments workings.

On the basis of these scientific postulates the developed methodology of account of displacement of developments workings contours and choice a direction of conducting breakage works rather strike of a seam.

The developed model of interrelation between parameters of rock mass displacement and deformations of developments working located in it, is confirmed by results of tool supervision on mines OAU " Pavlogradugol".

Keywords: displacement, underworking of rock mass, deformation, breakage face, development working, methodology.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми.

Істотну частину в собівартості вуглевидобутку складають витрати, пов'язані з підтримкою, охороною і ремонтом виробок видобувної ділянки. З 500 км підготовчих виробок, що проводять щорічно, 20-25 % знаходяться в незадовільному стані. При цьому, на їх ремонті задіяно до 60 % від загальної кількості гірників очисного вибою, додатково витрачаються десятки тонн металопрокату, а з кожного погонного метра виробки, що ремонтується, видається на поверхню до 15 м³ породи.

Одними з причин незадовільного стану дільничних виробок є неправильне планування напрямку їх розташування стосовно простягання пласту та необґрунтовані параметри зведення посилюючого кріплення в зонах впливу лави. Планування гірничих робіт здійснюється виходячи з форми, розмірів і просторового розташування запасів вугілля, що підлягають витягу, й економічної доцільності того або іншого варіанта, при цьому не розглядаються деформації виробок.

Крім того, у цей час збільшилася швидкість посування очисних вибоїв, що також позначається на стані дільничних виробок, оскільки швидкість переміщення лави істотно впливає на процеси деформації в системі "кріплення - масив", а також визначає зони впливу очисного вибою і довжину виробок, які піддаються деформаціям, що є недослідженим.

Недослідженими залишаються і питання впливу на стійкість дільничних виробок таких характеристик, як потужність пласта, кути його падіння, процеси зрушення масиву і т.д.

Одним із шляхів зниження витрат на підтримку і ремонт виробки видобувної ділянки є планування гірничих робіт за результатами контролю зрушень земної поверхні, які є адекватними зсувам і деформаціям, що виявляються в системі "кріплення - масив".

Оскільки дотепер це питання було досліджено недостатньо, виникла необхідність у рішенні науково-технічної задачі по встановленню взаємозв'язку параметрів процесу зрушення масиву гірських порід і зсувів контуру дільничних виробок виходячи з геомеханічних процесів, що відбуваються в підробленому гірському масиві, для обґрунтування підвищення стійкості дільничних виробок в зонах впливу очисних робіт, яка має важливе народногосподарське значення.

Зв'язок теми дисертації з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконані в рамках науково-технічної теми "Теоретичні основи зрушення масиву гірських порід і керування деформаційними процесами при підземній виїмці вугілля" (№ держреєстрації 0103U004307, виконувалась по рішенню Ученої ради ін-ту, прот. № 8 від 11.11.2002 р.) і “Розробка методики визначення кутів зсунення гірського масиву за допомогою візуального внутришньосвердловинного контролю” (№ держреєстрації 0106U003483, виконувалась за рішенням постанови Президії НАН України №132 від 22.06.2005 р.), згідно з якими автор є виконавцем; “Теоретичні основи формування мульди зрушення земної поверхні гірничодобувного регіону і деформаційних процесів в масиві, що підроблюється, при підземному вийманні вугілля” (№ держреєстрації 0106U001782, виконується відповідно до Постанови Бюро Відділення механіки НАН України від 13.07.05. прот. № 4), згідно з якою автор є відповідальним виконавцем.

Метою роботи є встановлення взаємозв'язку деформацій контуру дільничних виробок з параметрами зсуву надвугільної товщі для планування напрямку ведення очисних робіт і місць закладення підготовчих виробок.

Ідея роботи полягає у використанні взаємозв'язків між параметрами підробленого масиву гірських порід, що зрушується, із зсувами контурів виробок, розташованих у ньому, для прогнозування їх деформацій.

У роботі були поставлені і вирішені наступні завдання дослідження:

1. Обґрунтування взаємозв'язку параметрів зрушення масиву гірських порід і земної поверхні.

2. Визначення параметрів зрушення масиву гірських порід в зонах розташування дільничних виробок.

3. Установлення закономірностей зсувів контурів виробок при різному напрямку ведення гірничих робіт щодо залягання вугільного пласта і визначення зон впливу лави на їхню стійкість.

4. Розробка і перевірка методики встановлення очікуваних деформацій контуру дільничних виробок, вибору напрямку ведення очисних робіт.

Об'єкт дослідження - процес зрушення масиву гірських порід і його вплив на стійкість розташованих у ньому дільничних виробок.

Предмет дослідження - закономірності зміни стійкості дільничних виробок у зонах впливу очисних робіт.

Методи дослідження. У роботі застосовано комплексний метод досліджень, що включає аналіз, узагальнення літературних даних по дослідженню процесу зрушення масиву гірських порід і деформацій гірничих виробок, натурні інструментальні спостереження за зрушенням масиву гірських порід, земної поверхні і деформуванням контурів дільничних виробок, обробка і аналіз результатів експериментів з використанням методів математичної статистики, аналітичні методи при описі геомеханічних процесів у масиві гірських порід, що зрушується, теоретичне обґрунтування взаємозв'язку параметрів процесу зрушення і очисного вибою.

Наукові положення, що захищаються в дисертації:

1. Зсуви контурів дільничних виробок знаходяться у взаємозв'язку з параметрами зрушення підробленого масиву гірських порід і прямо пропорційно залежать від кута падіння і потужності пласту, що виймається, кута зрушення і експоненціально - від глибини розробки; при цьому вплив горизонтальної і вертикальної складових вектора зрушення на зсуви в виробках визначається емпіричним коефіцієнтом, який для умов шахт Західного Донбасу змінюється від 0,1 до 0,3.

2. При керуванні покрівлею повним обваленням дільниця виробки, яка піддана деформаціям перед очисним вибоєм, що рухається, визначається відношенням добутків швидкості посування очисного вибою і висоти зони розшарувань масиву гірських порід до швидкості розвитку деформацій розтягнення по площині зрушення і синусові кута зрушення, а за вибоєм - добутком швидкості посування очисного вибою і тривалості загасаючої стадії процесу зрушення.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

установлено раніше не відомі закономірності зрушення підробленого масиву гірських порід, які полягають у тому, що деформації розтягнення на різних глибинах відбуваються як за рахунок розтягнення порід масиву на крайових ділянках, так і за рахунок стиснення порід у його центральній частині;

уточнено закономірності зсуву контуру виробок при різному напрямку переміщення очисних робіт щодо простягання вугільного пласта, які прямо пропорційно залежать від кута падіння і потужності пласта, що виймається, кутів зрушення і експоненціально - від глибини розробки;

вперше на підставі аналітичних залежностей між швидкістю посування очисного вибою й швидкістю розвитку деформацій у масиві обґрунтовано розміри зон впливу очисних робіт на стійкість дільничних виробок;

уперше для умов шахт Західного Донбасу встановлено взаємозв'язок між тривалістю процесу зрушення і тривалістю активних деформацій дільничних виробок.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей, що зв'язують параметри зрушення надвугільної товщі й величину зсуву контуру розташованих у ній дільничних виробок.

Практичне значення і реалізація отриманих результатів полягає в наступному:

розроблено методику з розрахунку очікуваних зсувів контурів підготовчих виробок, вибору місця їх закладення і напрямку ведення очисних робіт з погляду підвищення їх стійкості, які використані для розрахунку очікуваних зсувів і зон впливу лав на дільничні виробки на шахтах ім. М.І. Сташкова, „Павлоградська”, „Тернівська”, „Дніпровська” ВАТ „Павлоградвугілля”;

виконано прогнозний розрахунок деформацій дільничних виробок, що проектуються, розташованих у зоні ведення очисних робіт для шахт Західного Донбасу.

Економічний ефект складає 508,85 грн / п.м.

Особистий внесок автора. Автором самостійно визначені мета, ідея, задачі досліджень, сформульовано наукові положення і висновки; проведено теоретичні й експериментальні дослідження, на підставі яких обґрунтовано параметри підтримки дільничних виробок у зонах впливу очисних робіт. Автором розроблено методику з визначення очікуваних зсувів контурів підготовчих виробок при різному розташуванні їх у масиві, що зрушується.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати досліджень розглядалися на: конференціях молодих учених ІГТМ ім. М.С. Полякова НАН України „Геотехнічні проблеми розробки родовищ” (м. Дніпропетровськ, 2003, 2004, 2005, 2006 рр.); науково-технічній конференції "Гірнича геологія, геомеханіка і маркшейдерія" (м. Донецьк, 11-15 жовтня 2004 р.), міжнародному Українсько-Польському Форумі гірників - 2004 (м. Ялта, 2004 р.); міжнародній науково-технічній конференції "Удосконалення технологій будівництва шахт і підземних споруджень" (м. Донецьк, 2005 р.); на Форумі гірників - 2006 (м. Дніпропетровськ, 2006 р.), науково-технічній конференції "Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості - 2007" (м. Кривій Ріг, 2007 р.).

Результати досліджень по темі дисертаційної роботи відзначені премією Національної академії наук України для молодих учених (Постанова Президії НАН України від 06.04.2005 р.) та премією Президента України для молодих учених (Указ № 1181/2007 від 04.12.2007 р.)

Публікації. Основні результати досліджень опубліковано у 14 печатних роботах, з яких 10 - у наукових фахових виданнях, 4 - у матеріалах і тезах конференцій, з них 5 - без співавторів.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел зі 138 найменувань, 8 додатків і 51 малюнка, 18 таблиць. Вона викладена на 147 сторінках машинописного тексту.

2. Основний зміст роботи

У першому розділі досліджено стан вивченості деформаційних процесів у масиві гірських порід, що зрушується, і дільничних виробках. Розглянуто три напрямки в геомеханиці по вивченню деформацій у масиві гірських порід і дільничних виробках. Перший: теоретичні методи, які застосовуються в механіці суцільних середовищ. Деформації масиву і гірничих виробок визначають виходячи з напруженого стану масиву. При цьому використовують також чисельні методи рішення з застосуванням кінцевих, граничних або дискретних елементів. У цьому напрямку дослідження виконано М.М. Протод'яконовим, М.П. Цимбаревичем, В.Д. Слесаревим, Н.М. Покровським, Г.Н. Савіним, А.Н. Дінником, С.Г. Лехницьким, Р. Фенером, А. Лабассом, Н.В. Руппенейтом, Ю.М. Либерманом, Б.З. Амусіним, Г.Л. Фісенко, В.В. Виноградовим, Ю.З. Заславським. У цих дослідженнях розглядаються зсуви виробок виходячи з напруженого стану тільки навколо виробок і не враховується масив, що зрушується, від виробленого простору до земної поверхні. Зсуви, визначені по цих методах, виявляються негайно, у той час як інструментальні спостереження показали, що зсуви відбуваються протягом тривалого часу.

Другий: емпіріко - аналітичні методи вивчення зрушення масиву гірських порід і земної поверхні. Значний внесок у розвиток цього напрямку внесли Авершин С.Г., Казаковський Д.О., Зоря М.М., Музафаров Ф.І., Іофис М.А., Борісов О.О., Батурін С.О., Медянцев О.Н., Букринський В.А., Петрук Є.Г., М'якенький В.І.

У цих дослідженнях параметри процесу зрушення підробленого масиву розглянуті у взаємозв'язку з параметрами і характером прояву гірського тиску перед і за очисним вибоєм, деформаціями дільничних виробок.

Питанням оцінки стійкості оголень масиву гірських порід значну увагу у своїх дослідженнях приділяли Ж.С. Єржанов, Ю.З. Заславський, К.В. Кошелєв, Ю.М. Ліберман, Г.Н. Савин, А.П. Максімов, Ф.Н. Воскобоєв, В.Д. Слесареєв, С.В. Янко, Г.І. Гайко, І.Л. Черняк, Б.О. Картозія, Р. Квапіл, А. Лабасс, К.В. Руппенейт, Я. Фармер, М.Н. Гелескул, О. Якобі.

Вивчення стійкості виробок і впливу пружних-пластичних властивостей порід розглянуто в роботах Бондаренка В.І., Булата А.Ф., Виноградова В.В., Глушка В.Т., Друцка В.П., Зоріна А.Н., Усаченка Б.М., Зборщіка М.П., Касяна М.М., Літвинського Г.Г., Роєнка А.Н., Назімка В.В., Новикової Л.В., Парчевського Л.Я., Петренка В.Д., Пономаренка П.І., Сдвижкової О.А., Халімендика Ю.М., Шашенка О.Н. і багатьох інших.

Третім напрямком по вивченню геомеханічного стану масиву є методи, що базуються на застосуванні функцій впливу. У їхню основу покладено гіпотезу про одиничний вплив вийнятого елементарного об'єму на процес зрушення масиву гірських порід. Ці методи прогнозу зрушень передбачають відсутність зрушень порід у виробленому просторі, що виключає можливість їхнього застосування для умов гірського масиву.

На підставі викладеного зроблено висновок про те, що взаємозв'язок зрушення масиву гірських порід і деформаційних процесів у дільничних виробках вивчено недостатньо і сформульовано мету і задачі досліджень.

У другому розділі обґрунтовано взаємозв'язок параметрів зрушення масиву гірських порід і земної поверхні при посуванні очисного вибою. Встановлено залежності по визначенню деформацій розтягнення і стиснення порід масиву, що оточують дільничну виробку при її розташуванні на різній глибині, і закономірності зміни цих деформацій у мульді зрушення.

Розглянуто вплив швидкості посування очисного вибою на деформаційні процеси в масиві і дільничних виробках. Взаємозв'язок параметрів зрушення масиву гірських порід і деформацій виробок, а також деформацій розтягнення і стиснення в мульді зрушення (рис. 1) установлювалися з використанням пошарової блокової моделі зрушення, розробленої в ІГТМ НАН України. Але оскільки горизонтальні зрушення впливають на величину деформацій дільничних виробок і відбуваються і при горизонтальному заляганні пласта, що не враховується у використовуваній моделі, то вивчено процес їх утворення.

До початку ведення гірничих робіт земна поверхня була представлена усередненою лінією ВС, довжина якої L. У процесі відпрацьовування вугільного пласта відбувся процес зрушення, який на поверхні відобразився осіданням. У результаті сформувалася мульда зрушення (довжина кривої, що описує напівмульду L' ). При осіданні поверхні (рис. 2) її довжина в напівмульді зрушення збільшувалася за рахунок розущільнення (_р) і стиснення (_сж) порід. Крапка D відповідає максимальним осіданням (з).

(1)

Довжина напівмульди (згідно з рис. 2) складає

(2)

де g - коефіцієнт, що враховує вплив глибини розробки. Зі збільшенням глибини розробки g зменшується;

m - потужність пласта, яка виймається, м;

б - кут падіння пласта, град.;

Якщо описати напівмульду зрушення функцією Гауса, то її довжина дорівнює

 (3)

Горизонтальні зсуви о при розвитку процесу зрушення визначаються за виразом:

або

(4)

де А - кут формування межі зрушення, що залежить від потужності пласта, глибини розробки і властивостей порід, змінюється в межах від 10 до 30°.

Висота розвитку деформацій розтягнення в масиві з розривом цілісності порід залежить від швидкості посування очисного вибою, що впливає на величину опускання покрівлі і на довжину дільничних виробок, що деформуються. Ґрунтуючись на спостереженнях і інструментальних вимірах І.А. Кіяшка, І.В. Антіпова та ін. розглянуто три види гірського тиску, що виявляються при різних швидкостях посування очисного вибою. При цьому виходили з того, що призабійна частина вугільного пласта також є опорою одночасно з гідрофікованим кріпленням.

1. При посуванні очисних робіт площа осадки вугільного пласта тим більше, чим повільніше рухається вибій і відповідно більше опускання покрівлі (рис. 3), що визначається за виразом

h_м = 0,5k, мм (5)

де l_ц - посування очисного вибою за цикл, мм;

V_з - планована швидкість посування очисного вибою, мм/хв;

a - прискорення опускання покрівлі в середній частині лави, мм/хв²;

k - коефіцієнт, який дорівнює 0,058;

t - час, протягом якого опускається покрівля, хв;

V_н - початкова швидкість опускання покрівлі, мм/хв.

2. При другому виді прояву гірського тиску швидкість посування вибою близька до швидкості розвитку деформацій розтягнень у масиві. При такій швидкості посування вибою опускання покрівлі й усадка пласта зменшуються. Величина осадки вугільного пласта враховується при визначенні зсувів контурів виробок.

3. При швидкості посування очисного вибою більшій, ніж швидкість розвитку деформацій розтягнення в масиві, не відбувається руйнування основної покрівлі, а опорою може служити область змикання ґрунту і покрівлі. Час, через який це може відбутися, визначається за виразом

, хв. (6)

Третій розділ присвячено встановленню закономірностей зсувів контурів виробок при різному напрямку ведення гірничих робіт щодо залягання вугільного пласта і визначенню зон впливу лави на стан дільничних виробок.

Використовуючи формули по визначенню горизонтальних зрушень у мульді зрушення і встановленої закономірності їх прояву, визначено горизонтальні зсуви контуру дільничної виробки в зоні впливу очисних робіт, з урахуванням осадки вугільного пласта.

Конвергенція (зсув) контуру виробки визначається по виразах

 (7)

(8)

Сполучений графік інструментальних (по проф. Б.М. Усаченко) і розрахункових зсувів контурів дільничних виробок по шахтах Західного Донбасу свідчить, що середня погрішність визначення складає для вертикальних зсувів 14 %, для горизонтальних - 16 %.

Зсуви контурів виробок залежать від кута падіння пласта, але при цьому він може змінюватися в межах шахтного поля і залежить від геометричної форми залягання корисної копалини. За планом гірничих робіт, виходячи з розташування ізогіпс складається прогноз впливу очисних робіт на стійкість кріплення підготовчих виробок. На ділянках збільшення кута падіння пласта переважають горизонтальні зрушення, на ділянках, де кут падіння пласта зменшується - вертикальні зрушення.

Розглянуто закономірності зсувів контурів дільничних виробок при різному переміщенні ведення очисних робіт щодо простягання пласта за такими варіантами: дільничні виробки пройдені по паданню чи повстанню, по простяганню і під кутом до нього. Визначено горизонтальні і вертикальні деформації виробок і встановлено, що при зміні напрямку ведення очисних робіт щодо залягання пласта змінюється об'єм порід, що утягуються одночасно в зрушення, це впливає на стан виробок. Зі збільшенням кута нахилу пласта і глибини розробки збільшується і їх об'єм порід:

по простяганню:

, (9)

по падінню чи повстанню:

, (10)

під деяким кутом до простягання:

. (11)

де L_л - довжина лави, м;

l_к - довжина консолі защемлення, м;

щ - кут природного зрушення, град.

При положистому заляганні пласта (б=0-5⁰) кращий стан виробок, проведених по падінню чи повстанню; при похилому і крутопохилому заляганні виробки краще проводити по простяганню.

Дільнічні виробки, проведені з випередженням, піддаються деформаціям не тільки в безпосередній близькості від вибою, що рухається, але і на значній відстані від нього. Виробка піддається деформаціям перед очисним вибоєм в результаті утворення консолі защемлення, довжина якої залежить від швидкості посування очисного вибою і швидкості розвитку деформацій у масиві.

Довжина виробки, яка зазнає впливу перед очисним вибоєм, що рухається, визначається за наступним виразом

, м, (12)

де V_З - швидкість посування вибою, м/міс;

Н_Р - висота зони розшарувань, м;

V_Д - швидкість розвитку деформацій у масиві по площині зрушення, м/міс.

Довжина виробки, яка зазнає деформацій за очисним вибоєм, визначається за виразом

, м, (13)

де t_З - тривалість заключної стадії процесу зрушення, міс., що складає від усієї тривалості зрушення порід масиву і земної поверхні.

Виробки зазнають активних деформацій певний період. Ремонт або перекріплення деформованих виробок доцільно робити тоді, коли деформації закінчаться або їхні значення стануть мінімальними.

Оскільки деформації виробок викликані зрушенням, то приймаємо, що їх тривалість дорівнює тривалості процесу зрушення, або одній з його частин. Проведено розрахунки тривалості стадій процесу зрушення для шахт Західного Донбасу. Теоретичні значення тривалості зсувів порівняні з даними спостережень (по даним проф. Усаченка Б.М.). Установлено, що найбільш близьким до експериментально зафіксованого часу активних деформацій контуру виробок є осідання в активній частині тривалості процесу зрушення.

Тривалість деформацій кріплення виробки спереду очисного вибою можна розрахувати за формулою

Т_д.кр =, доб. (14)

Тривалість деформацій виробки за очисним вибоєм можна визначити за формулою

 , (15)

де V_{O MAX} - максимальна швидкість осідання земної поверхні, мм/доб.

Н - глибина розташування виробки, м;

L_бл - довжина блоку, що зрушуються (крок обвалення основної покрівлі), м.

Четвертий розділ присвячено визначенню деформацій дільничних виробок виходячи з напрямку ведення очисних робіт при плануванні розвитку шахт Західного Донбасу. Викладено методику розрахунку зсувів контурів дільничних виробок при різному їх розташуванні в масиві.

Перевірка пропонованої методики проведена в умовах шахт "Благодатна" й "Самарська" ВАТ "Павлоградвугілля" шляхом проведення серії спостережень за процесом зрушення на земній поверхні та у дільничних виробках у зонах впливу очисних робіт.

Спостереження в шахті проводилися виміром по пікетах ширини виробки B і висоти, яка складається із двох домірів - до покрівлі h₁ і до ґрунту h₂ . Спостереження проводились по всій довжині стовпа, який відпрацьовувався, при посуванні очисного вибою.

Результати шахтних спостережень зіставлялись з розрахунковими. Погрішність визначення становить для вертикальних зсувів - 13-22 %, горизонтальних - 22-30 %.

Для зіставлення пропонованої теорії взаємозв'язку зрушення земної поверхні й деформування дільничних виробок на земній поверхні ш. "Самарська" були проведені спостереження за процесом зрушення.

Спостережна станція на поверхні являє собою профільну лінію, прокладену вхрест простягання пласта, перпендикулярно лаві в районі розташування 43-45 пікетів в штреку. Вимір абсолютних зсувів реперів визначався нівелюванням. Результати спостережень зіставлялись з розрахунковими. Погрішність визначення становить для осідання 12 % і для величин розтягнення й стиснення відповідно 9 та 27 %.

На ш. "Благодатна" проводилися спостереження за зміною розмірів виробки в часі й стосовно положення очисного вибою до реперів замірної станції, на якій проводилися спостереження.

Це дозволило зробити висновок про те, що початкові деформацій виробка зазнає при підході лави на відстань 100 м, а на відстані від 60 м до підходу лави до репера проявляються основні деформації (головний період деформування виробки). При проході й відході лави від репера деформації продовжують проявлятися на відстані 50 - 100 м.

Розрахункові значення довжини виробки, яка зазнає деформації перед очисним вибоєм, що рухається, за виразом (12) і за вибоєм за виразом (13) становлять відповідно 61,5-70,5 й 70,6-74 м. Таким чином, погрішність визначення зон впливу очисного вибою на стан дільничної виробки становить 18 - 22 %.

Основний період деформування виробок відбувається в перші 50 - 60 діб спостережень, потім протікає період загасаючих деформацій тривалістю від 60 до 180 діб.

Розрахунковий час активних деформацій контурів виробок за виразом (14) становить 62-69 діб, а період загасаючих деформацій за виразом (15) становить 75-78 діб, що відповідає інструментально зафіксованим значенням.

Таким чином, результати спостережень за процесом зрушення на земній поверхні й дільничних виробках підтверджують розроблену модель взаємозв'язку між параметрами зрушення гірського масиву й деформуванням виробок, розташованих у ньому.

Задовільна збіжність отриманих результатів дозволила зробити прогноз зсувів контурів дільничних виробок для ділянок вугільних пластів, запроектованих до відпрацювання на шахтах Західного Донбасу.

Аналіз існуючого положення ведення гірничих робіт на шахтах Західного Донбасу показали: гірничі роботи переважно ведуться по падінню і повстанню пласта; підготовчі виробки (збірні штреки) підтримуються слідом за очисним вибоєм для повторного використання в якості бортових для суміжних лав; установка кріплення посилення в зонах впливу очисних робіт робиться недостатньої довжини.

Використання розробленої методики розрахунку очікуваних зсувів контуру дільничних виробок, вибору місця їхнього закладення у масиві, що зрушується, і напрямку ведення очисних робіт щодо простягання пласта дозволить підвищити стійкість виробок, використовувати їх повторно без істотних ремонтних робіт. Економічний ефект складає 508,85 грн / п.м.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій, сформульованих у дисертації, підтверджується використанням апробованих методів досліджень, задовільною збіжністю розрахункових і експериментальних даних: середні погрішності розрахункових величин у порівнянні з вимірюваними становлять від 10 до 30 %.

Висновки

Дисертація являє собою закінчену науково-дослідну роботу, у якій отримане нове рішення актуальної наукової задачі по встановленню взаємозв'язку параметрів зрушення масиву гірських порід і зсувів контуру вироблень, що дозволяє прогнозувати деформації виробок виходячи з геомеханічних процесів, що відбуваються в надвугільній товщі й на земній поверхні при виїмці вугілля, яка має велике значення для вуглевидобувної галузі.

Основні наукові й практичні результати полягають у наступному.

1. Установлено, що горизонтальні зсуви в мульді зрушення при виїмці горизонтального пласту складаються з декількох складових: власне горизонтальних зсувів і зрушень внаслідок деформацій розтягнення й стиснення.

2. Уперше встановлено, що зона деформацій розтягнення у мульді зрушення й у масиві гірських порід утворюється як безпосередньо за рахунок розтягування при збільшенні зони розтягнень, так і за рахунок стиску порід, більшого їх первісного стану, у зоні стиснення. Установлено аналітичні залежності по визначенню горизонтальних деформацій розтягнення й стиснення на земній поверхні й у масиві гірських порід, що оточує гірничу виробку. При цьому встановлено, що зі збільшенням глибини розробки, міцності порід величини деформацій розтягнення й стиснення зменшуються. Проведено порівняння інструментальних і розрахункових величин деформацій розтягнення й стиснення на земній поверхні. Середнє лінійне відхилення розрахункових величин від обмірюваних становить для деформацій розтягнення 27,2 %, для деформацій стиснення - 31,4 %.

3. Установлено, що біля дільничних виробок формуються одночасно дві зони деформацій розтягнення: перша - внаслідок зрушення порід під кутами зрушення; друга - через нерівномірність прискорень опускання покрівлі по центру лави й на сполученнях зі штреками. Установлено залежності по визначенню величин розтягнення й стиснення біля дільничних виробок.

4. При розгляді видів прояву гірського тиску при керуванні покрівлею повним обваленням, що залежать від швидкості посування очисного вибою, установлено закономірність осадки вугільного пласта, що враховує прискорення, початкову швидкість і час опускання покрівлі.

5. Установлено залежності по визначенню горизонтальних і вертикальних зсувів контуру гірничих виробок. Відхилення розрахункових величин від обмірюваних становить для вертикальних зсувів 14 %, а горизонтальних - 16 %.

6. Установлено, що на величину зсуву контуру виробок впливає напрямок ведення гірничих робіт щодо залягання вугільного пласту. Найменші деформації контуру виробок будуть у випадку напрямку посування очисного вибою по падінню чи повстанню пласта.

7. Установлено, що при зміні напрямку очисних робіт щодо простягання пласту, а також кута його падіння змінюється об'єм порід, що утягуються одночасно в зрушення. Установлено залежності по його визначенню.

8. Визначено розміри зон впливу очисних робіт на дільничні виробки, що примикають до очисного вибою при стовповій системі розробки, які залежать від швидкості посування очисного вибою, швидкості розвитку деформацій у масиві й тривалості окремих частин процесу зрушення масиву гірських порід. Для умов шахт Західного Донбасу зони впливу очисного вибою спереду й за ним змінюються в межах 50-110 м.

9. Установлено взаємозв'язок між тривалістю деформацій контуру виробок і тривалістю процесу зрушення підробленого масиву гірських порід. Тривалість деформацій контуру виробок у зоні впливу очисного вибою, що рухається, визначається виходячи із тривалості активної стадії осідань, а в зоні сполучення дільничної виробки з лавою - з урахуванням часу розвитку деформацій у масиві по відриві блоку й часу його осідання.

При розробці заходів щодо підвищення стійкості виробок, а також при визначенні часу їхнього ремонту необхідно визначати розміри зон впливу очисного вибою, а також тривалість деформацій контуру виробок у кожній зоні.

10. Розроблено методику "Визначення зсувів контурів підготовчих виробок при різному їхньому розташуванні в масиві, що зрушується," для умов шахт Західного Донбасу, в основу якої покладено встановлений взаємозв'язок параметрів процесу зрушення над вугільної товщі й зсувів контуру дільничних виробок.

11. Результати проведених спостережень на шахтах "Благодатна" й "Самарська" ВАТ "Павлоградвугілля" за процесом зрушення на земній поверхні й дільничних виробках підтверджують розроблену модель взаємозв'язку між параметрами зрушення гірського масиву й деформуванням виробок, розташованих у ньому. Розрахункові й експериментальні дані показали задовільну збіжність: середні погрішності становлять від 10 до 30 %.

12. Використання розробленої методики дозволяє обґрунтувати вибір місця закладення дільничних виробок у масиві, що зрушується, і напрямку ведення очисних робіт щодо простягання пласта, що дозволяє підвищити стійкість виробок і використати їх повторно без істотних ремонтних робіт. Очікуваний економічний ефект становить 508,85 грн / п.м.

Наукові праці

1. Сдвижение массива горных пород и деформации подготовительных выработок / В книге Четверик М.С., Андрощук Е.В „ Теория сдвижения массива горных пород и управления деформационными процессами при подземной выемке угля.-Днепропетровск: РИА „Дніпр-VAL”, 2004. с. 99-108.

2. Определение смещений контуров подготовительных выработок при различном их расположении в сдвигающемся массиве / М.С. Четверик, Е.А. Бубнова.- Днепропетровск: Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины, 2006.- 30 с.

3. Четверик М.С., Бубнова Е.А., Андрощук Е.В. Влияние сдвижения подработанного массива горных пород на устойчивость выработок и состояние съемочной сети // Сб. науч. тр. Национального горного университета Украины.- Днепропетровск: НГУ, 2002.- № 14, т. 2.- С. 31-38.

4. Бубнова Е.А. Влияние направления развития очистных работ на параметры сдвижения и устойчивость горных выработок // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов.- Днепропетровск: ИГТМ, 2003.- № 36.- с. 87-92.

5. Бубнова Е.А. Взаимосвязь продолжительности процесса сдвижения и деформаций крепи выработок // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов.- Днепропетровск: ИГТМ, 2003.- № 47 - С. 231-235.

6. Четверик М.С., Андрощук Е.В., Бубнова Е.А., Гаврюк Г.Ф. Сдвижение массива горных пород и влияние скорости подвигания очисного забоя на выделение метана // Сб. научн. тр. Национального горного университета Украины.- Днепропетровск: НГУ, 2003.- № 16.- С. 42-53.

7. Подорванов А.А., Бубнова Е.А. Влияние технологических схем выемки угля и управления кровлей на сдвижение массива горных пород и земной поверхности при разработке крутых угольных пластов // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов.- Днепропетровск: ИГТМ, 2004.- № 49. - с. 73-79.

8. Четверик М.С., Бубнова Е.А., Зберовский В.В. Взаимосвязь гипсометрии пласта и направления проведения подготовительных и очистных выработок // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов.- Днепропетровск: ИГТМ, 2005.- № 55 - с. 118-123.

9. Бубнова Е.А. Горизонтальные деформации в динамической мульде сдвижения // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов.- Днепропетровск: ИГТМ, 2006.- № 62 - с. 127-133.

10. Бубнова Е.А. Методика расчета ожидаемых смещений контура подготовительной выработки и выбора места ее заложения в сдвигающемся массиве // Геотехническая механика: Сб. научн. трудов.- Днепропетровск: ИГТМ, 2006.- № 65 - с. 27-35.

11. Четверик М.С., Бубнова Е.А. Зоны влияния очистного забоя на состояние подготовительных выработок // Вісник Криворізького технічного университету: Зб. наук. праць. - Кривий Ріг: КТУ, 2007. - Вип. 18.- с. 39-43.

12. Четверик М.С., Бубнова Е.А. Влияние сдвижения массива горных пород на деформации выработок при подземной выемке угля // Матеріали міжнародної конференції Форум гірників - 2006 (11-13 жовтня 2006 р.). Д.: Національний гірничий університет, 2006. - С. 258-268.

13. Четверик М.С., Бубнова Е.А. Сдвижение горного массива и деформационные процессы в очистных и подготовительных выработках // Гірничодобувна промисловість України і Польщі: Актуальні проблеми і перспективи: Матеріали Українсько-Польського форуму гірників - 2004 (Ялта, Крим, 13-19 вересня 2004). - Дніпропетровськ: НГУ, 2004.- с. 539-552.

14. Бубнова Е.А. Влияние гипсометрии пласта и направления развития горных работ на устойчивость выработок // Совершенствование технологий строительства шахт и подземных сооружений: Сб. научн. трудов.- Донецк: “Норд-Пресс”, 2005. - Вып. № 11. - С. 37.

Размещено на Allbest.ru